南開新聞網(wǎng)訊（通訊員 吳景 陳賾）近日，南開大學醫(yī)學院、公共衛(wèi)生與健康研究院王碩教授團隊在食品營養(yǎng)與健康領(lǐng)域取得重要進展。該團隊成功開發(fā)一種集成機器學習算法的智能腸道芯片，用于快速篩選能有效緩解炎癥性腸病的益生菌。相關(guān)研究成果以An Intelligent Intestine-on-a-Chip for Rapid Screening of Probiotics with Relief-Enteritis Function為題，發(fā)表在國際著名學術(shù)期刊Advanced Materials上。

　　包括克羅恩病和潰瘍性結(jié)腸炎在內(nèi)的炎癥性腸病，通常被認為是由腸道菌群失調(diào)引起的免疫系統(tǒng)異常反應(yīng)，對全球健康安全造成嚴重威脅。益生菌緩解炎癥性腸病的潛力在于恢復(fù)腸道細菌的正常平衡，并刺激腸道愈合。然而，目前的體外篩選技術(shù)使用基于細胞系的靜態(tài)培養(yǎng)物和納米多孔插入物，常用于評估藥物與人體結(jié)腸的相互作用，但這些技術(shù)尚未廣泛用于測試細菌的安全性和性能。由于細菌快速生長、營養(yǎng)和氧氣耗竭、微生物廢物積累、pH 值下降和細胞死亡，這種技術(shù)無法維持嚴格的厭氧環(huán)境，從而阻礙了宿主-微生物組共培養(yǎng)的長期穩(wěn)定。雖然基因組學、蛋白質(zhì)組學、代謝組學和生物信息學等各種方法可以全面深入地了解益生菌的功能和特性，但鑒定具有特定益生菌的菌株在很大程度上仍依賴于動物實驗或臨床試驗來研究益生菌對宿主健康的影響。

　　為了開發(fā)高效、準確和高通量益生菌篩選流程，該研究團隊開發(fā)一種集成機器學習的智能芯片腸道系統(tǒng)。腸道芯片系統(tǒng)將高通量微流控芯片與環(huán)境控制系統(tǒng)相結(jié)合，實現(xiàn)益生菌與宿主細胞的共培養(yǎng)，為多種益生菌共培養(yǎng)提供了標準化、可擴展的腸道微環(huán)境。通過結(jié)合無監(jiān)督機器學習算法，智能腸道芯片系統(tǒng)能夠準確、全面、高效地評估12種雙歧桿菌菌株與腸炎模型宿主細胞之間的相互作用，量化和區(qū)分益生菌株之間微妙的治療差異，以確定它們作為炎癥性腸病緩解劑的潛力。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，長雙歧桿菌3-14在體外和體內(nèi)均能有效緩解腸道炎癥并增強上皮屏障功能。這種策略的一個顯著優(yōu)勢在于，能夠智能地區(qū)分益生菌株的細微治療差異，并對其功效進行優(yōu)先排序，從而實現(xiàn)經(jīng)濟、高效、準確的功能性益生菌篩選。

　　用于益生菌篩選的芯片上的智能腸道平臺示意圖，包括：(i) 在高通量芯片中進行益生菌和腸道細胞的共培養(yǎng)并收集樣本；(ii) 收集數(shù)據(jù)并分析；(iii) 機器學習生成評分分析器；(iv) 對具有緩解炎癥性腸病作用的益生菌進行排序。

　分析來自腸芯片和用于益生菌篩選的分數(shù)分析儀的多模型數(shù)據(jù)特征的機器學習算法。(A）流程圖顯示了使用幾種算法（如皮爾遜相關(guān)分析、巴特利特檢驗、KMO 檢驗和 PCA）收集和分析數(shù)據(jù)集的順序步驟。(B）火山圖顯示了 GEO 數(shù)據(jù)庫中 4 個公開隊列中炎癥性腸病組和對照組的差異表達基因。數(shù)據(jù)經(jīng)過對數(shù)轉(zhuǎn)換，并使用雙側(cè) Man-Whitney U 檢驗進行分析，以得出統(tǒng)計 p 值和 q 值。折疊變化的閾值用垂直虛線表示，即折疊變化>1.3。紅點和藍點分別表示上調(diào)基因和下調(diào)基因。(C) 顯示治療組中不同生物標記物之間相對相關(guān)性的弦圖。(D）利用相關(guān)系數(shù)矩陣繪制的scree圖。該圖顯示了其典型根、方差貢獻率和累積貢獻率。(E) 顯示幾種益生菌前三個主成分聚類的三維散點圖。(F) PCA 分析的熱圖，描述了根據(jù) PCA 算法生成的 6 個主成分中不同生物標志物的相對負荷。(G）利用生成的得分分析器對益生菌菌株進行得分排序。

　　本研究結(jié)合器官芯片和機器學習，為益生菌與益生元的鑒定提供一個全新的體外評估平臺。

　　王碩教授團隊近幾年在食品營養(yǎng)與健康領(lǐng)域的微流控芯片和器官芯片等方向開展了一系列基礎(chǔ)研究工作，這些工作是在國家重點研發(fā)計劃和國家自然科學委相關(guān)項目的資助下完成的。未來，該團隊將進一步研究其在益生菌、合生元和其他活性生物治療產(chǎn)品中的適用性。

　　南開大學為該項工作的第一完成單位及唯一通訊單位。南開大學醫(yī)學院、公共衛(wèi)生與健康研究院講師吳景、副教授張博崴、博士研究生劉曉霞為該論文共同第一作者，南開大學醫(yī)學院、公共衛(wèi)生與健康研究院王碩教授為唯一通訊作者。

文章鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202408485

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