Биореактор для исследования микробиоты человека

Чтобы создать систему для культивирования кишечной микробиоты человека in vitro, мы разработали собственную установку, которая имитирует толстую кишку. Была разработана модульная система для создания условий поддержания жизнедеятельности человеческой кишечной микробиоты. Система может имитировать состояние кишечника как в норме, так и при патологии. Состоит из трех биореакторов, которые могут работать как независимо друг от друга, так и в одной линии.

В каждый биореактор может подаваться одинаковая среда из одного и того же резервуара или, наоборот, три разные среды. Стандартная среда полностью соответствует содержимому терминального отдела подвздошной кишки у человека с западной диетой. Состав этой среды дан в таблице 1. При необходимости ее можно модифицировать для имитации других систем или для моделирования конкретных случаев, таких как прием пребиотиков, чрезмерное присутствие остатков белка из-за плохого гидролиза/абсорбции в передних отделах кишечника, или избыток желчных кислот.

Таблица 1. Состав искусственной среды терминального отдела подвздошной кишки человека.

Каждый модуль системы основан на биореакторе, который может работать автономно, если это необходимо (рис. 1). Каждый биореактор состоит из культурального сосуда и стальной крышки с портами. Сосуд объемом 2 л выполнен из боросиликатного стекла и установлен на съемной раме из нержавеющей стали. Минимальный рабочий объем составляет 0,5 л, однако в работе использовался рабочий объем 1 л. 

Для поддержания определенной температуры культуры сосуд оснащен рубашкой, по которой циркулирует теплая вода. Нагрев воды происходит в отдельном резервуаре, а подача ее в рубашку обеспечивается циркуляционным насосом. Крышка биореактора имеет различные порты и аксессуары, позволяющие установить двигатель мешалки, подавать необходимые газы на дно сосуда с помощью съемного барботера, обеспечить выпуск газов из сосуда через конденсор из нержавеющей стали (при максимальном потоке газа 15 л/мин). Конденсор имеет диффузионную камеру и внутренний спиральный канал для циркуляции холодной воды.

Перемешивание производится в маятниковом режиме с использованием турбины Раштона и пропеллерной мешалки (каждый импеллер диаметром 60 мм) с регулируемой высотой на валу.

Система также включает в себя датчик температуры, датчик pH, датчик ОВП, датчик уровня или датчик пены и инъекционный порт для коррекции уровня pH (этот порт может использоваться и для подпитки свежей средой).

Крышка биореактора имеет устройство для отбора проб, инокуляции и подпитки средой в стерильных условиях. Каждый биореактор имеет свой собственный терминал управления, подключенный к компьютеру через кабель Ethernet. Специальное программное обеспечение используется для управления скоростью перемешивания (от 40 до 1000 об/мин), температурой, рН, ОВП и уровнем. Терминал управляет параллельно четырьмя перистальтическими насосами (для подпитки свежей средой, для кислоты, щелочи и для отбора проб) и клапанами для автоматического контроля потока газа.

Специальное программное обеспечение (запускается на платформе Windows) позволяет осуществлять контроль экспериментов с четырьмя уровнями доступа, от просмотра отдельных измерений без возможности что-то изменять в таблице, до полной функциональности (возможность детальной конфигурации программы культивирования).