肠胃系统

人体消化系统将食物和液体分解成营养物质（碳水化合物，蛋白质，脂肪和维生素），提供人体能量，用于机体生长和细胞再生。肠道系统通过肌肉收缩的方式形成肠道运动来运输食物和废物。肠道中的细菌构成肠道微生物菌群，对消化系统和机体健康十分重要。肠道微生物菌群能够合成分泌维生素K，这对血液凝固至关重要。

由于许多药物采用口服的方式，在一定程度上会影响肠胃系统的结构和功能，并打破肠道微生物菌群的内部平衡。虽然肠道衬里可作为抵抗感染的屏障，但该系统对毒素、某些特定疾病和药物十分敏感。此外，根据统计数据显示，肠道系统的神经和肌肉问题影响人数占美国人口的25％，然而目前依旧缺乏有效的治疗方法。

拥有研究肠胃系统的实验装置可以帮助科学家寻找解决肠胃系统问题的新型疗法，并预测药物对肠道及其微生物菌群的副作用。开发肠道系统芯片目前是NIH支持项目的目标之一。

芯片上的肠道

美国国立卫生研究院支持的辛辛那提儿童医院和约翰霍普金斯大学的研究人员正在研究由人体肠胃系统组成的微型系统，其中包含平滑肌组织和神经组织。为了构建这些系统，研究人员一方面使用手术后丢弃的肠道组织，另一方面从体细胞中产生诱导多能干细胞（iPSCs）。干细胞拥有分化成多种不同细胞类型的巨大潜能，在早期生命和胚胎发育过程中至关重要；在成年人中，干细胞在组织修复和维持中发挥着重要作用。iPSC可以提供无限的供体细胞，用于分化形成芯片装置中的肠胃系统和其他类型组织。

该模型是一项重大突破，因为它不仅包括肠道组织，还包括控制平滑肌运动形成肠道蠕动的神经。该研究开发了一种与人类肠胃系统功能非常相似的实验装置。科学家可以使用该装置研究肠道运动，筛选关于肠道运动性疾病的潜在治疗方法，监测药物从肠道到血液的吸收过程，并测试药物对肠胃系统的毒性作用。

辛辛那提儿童医院的科学家正在开发一种源自人体肠道和神经细胞的小型三维系统。图片显示了神经细胞（照片A）和iPSC人肠组织（照片B）的结合。和芯片结合后，得到肠道芯片并具有神经和类似于人体肠道的横截面结构，如右下图所示。

约翰斯·霍普金斯大学的研究人员表示，“微型肠道”（在视频中以红色显示）可以模仿人体肠胃系统功能来分泌消化酶（绿色）。

左图采用电子显微镜拍摄，揭示了如何修饰这些微肠形成层状结构来适应各种实验方案。图片显示了肠道微绒毛和其他蛋白质结构，与人体中的相似。右图描绘了研究人员添加到微肠系统中的杆状细菌，以研究生活在人体肠道中的细菌如何影响健康和疾病。

展望未来

美国国立卫生研究院支持的研究人员已经证明，iPSC技术或废弃的手术标本可用于在芯片上产生肠道，并伴有平滑肌和神经纤维。研究人员可以使用该装置了解更多关于肠道运动疾病的信息，并进行测试药物测试。此外，研究人员能够收集数据以加速药物批准过程，并为患者提供更有效的的新疗法。

科学家们也期待有一个实验系统来了解肠道微生物组的更多信息。目前NIH计划将肠胃芯片与基于肝脏和肾脏的其他组织芯片集成起来，以更全面地了解药物如何在体内代谢的过程并更好地预测其毒性效应。

https://ncats.nih.gov/tissuechip/chip/gi