腸道菌群作為人體重要的微生態系統，在宿主代謝、免疫調節及疾病發生發展中扮演關鍵角色。厭氧微生物是腸道菌群的核心組成部分，其精準培養是深入解析腸道菌群功能及互作機制的基礎。博清生物科技（南京）有限公司研發的三氣培養箱憑借其高精度氣體控制、自動化運行、嚴格防污染設計及高效環境模擬能力，為厭氧微生物培養提供了理想的技術平臺。

人體腸道棲息著萬億級微生物群落（腸道菌群），其組成與功能直接影響宿主的營養代謝、免疫穩態及神經內分泌調控等關鍵生理過程。據統計，腸道微生物中約99%為嚴格或兼性厭氧菌，如擬桿菌門、厚壁菌門（含梭菌、糞桿菌屬等）構成的專性厭氧核心菌群，是驅動碳水化合物發酵、短鏈脂肪酸（SCFAs）合成及抵御病原菌定植的關鍵功能類群。這些微生物對氧氣極度敏感，傳統的空氣暴露操作極易導致其失活，嚴重制約了對腸道菌群結構、代謝及宿主互作機制的深入解析。

厭氧微生物培養是腸道菌群研究的基礎環節。從菌群分離純化到功能驗證實驗，均依賴嚴格可控的低氧環境。傳統培養方法（如Hungate滾管技術）雖能部分實現厭氧條件，但操作繁瑣、通量低且污染風險高，難以滿足高通量篩選、長期動態監測及機制研究需求。博清生物科技（南京）有限公司研發的三氣培養箱（精確調控O?/CO?/N?比例）通過自動化氣體控制、高效均一的溫度濕度維持及防污染設計，為腸道專性厭氧菌提供了接近生理環境的穩定培養條件，成為突破現有研究瓶頸的關鍵技術工具。本文將系統探討該設備在腸道菌群研究中的核心價值與應用實踐。

一、腸道菌群的重要性及培養挑戰

（一）腸道菌群的生物學意義

1、代謝調控與營養吸收

專性厭氧菌主導腸道復雜碳水化合物的發酵過程，將膳食纖維、抗性淀粉等宿主難以消化的多糖轉化為短鏈脂肪酸（如丁酸、丙酸、乙酸）。這些代謝產物不僅為結腸上皮細胞提供能量底物（丁酸是結腸細胞主要能源），還通過血液循環調節肝臟糖脂代謝、胰島素敏感性及脂肪組織能量穩態。此外，腸道菌群參與維生素合成（如維生素K、B族）及膽汁酸代謝重編程，直接影響宿主營養狀態。

2、免疫屏障與疾病防御

腸道菌群通過誘導抗菌肽分泌（如Reg3γ）、競爭黏附位點及代謝產物調控（如SCFAs 激活Treg細胞），構建抵御病原菌（如沙門氏菌、艱難梭菌）的定植抗性屏障。菌群失衡（如專性厭氧菌豐度下降）可引發腸道通透性增加、免疫過度激活，進而關聯炎癥性腸?。↖BD）、肥胖、糖尿病及過敏性疾病等慢性病癥的發生發展。

3、神經內分泌與宿主互作

新興研究揭示腸道菌群通過“腸-腦軸”雙向調控宿主生理與行為。例如，專性厭氧菌代謝產生的色氨酸衍生物（吲哚類化合物）可激活腸內分泌L細胞分泌GLP-1調節血糖，或經迷走神經傳遞影響中樞神經系統功能。糞桿菌屬等核心產丁酸菌的豐度降低還與帕金森病、抑郁癥等神經退行性疾病密切相關。

（二）腸道厭氧微生物培養的技術瓶頸

傳統培養方法面臨多重挑戰：

1、嚴格厭氧條件難以維持：手工操作（如Hungate技術）需在氮氣環境中進行培養基轉移、接種等步驟，頻繁開蓋導致氧氣短暫暴露，顯著降低專性厭氧菌（如擬桿菌、梭菌）的存活率與活性。據統計，部分極端厭氧菌（如嗜黏蛋白阿克曼菌）在空氣暴露超30秒后即完全失活，傳統方法活菌回收率不足10%。

2、通量低與操作繁瑣：滾管技術單次僅處理少量樣本，且步驟涉及膠塞密封、液氮速凍等復雜流程，難以滿足大規模菌株篩選或時間序列實驗需求。

3、污染風險與環境波動：開放操作易引入外界雜菌污染；溫度、濕度及氣體濃度波動（如手工通氣不均勻）影響菌群生長一致性，導致實驗結果重復性差。

4、模擬生理環境能力不足：多數傳統培養箱無法精確復現腸道微環境的低氧（O?≤1%）、高CO?（5%-15%）及濕度（＞80%）條件，影響菌群代謝表型的真實性表達。

二、在腸道菌群研究中的具體應用實踐

（一）腸道專性厭氧菌的高效分離與純化

培養箱顯著提升了嚴格厭氧菌株的回收率與活性：

1、操作流程優化：糞便樣本經均質化處理后，直接在培養箱內置操作臺完成梯度稀釋及厭氧培養基接種（如強化梭菌培養基），全程O?≤0.5% 環境避免活菌損失。

2、典型案例驗證：以分離產丁酸核心菌屬（糞桿菌屬）為例：

樣本處理：將新鮮糞便懸液在氮氣吹掃手套箱初步稀釋后轉入培養箱內；

接種培養：用自動化移液系統接種至預還原培養基平板（含刃天青氧指示劑），密封后置入37℃三氣環境（O?=0.5%，CO?=10%）培養48-72小時；

結果：與傳統Hungate法相比，糞桿菌屬單菌落形成效率提升3倍以上，菌落形態飽滿均一，活菌純度＞95%（16S rRNA測序驗證）。

3、菌種多樣性覆蓋：成功分離鑒定草魚腸道黏膜專性厭氧菌（如擬桿菌屬Bacteroides paurosaccharolyticus、梭桿菌屬Fusobacterium ulcerans），揭示后腸段較前中腸具有更高細菌豐度與專性厭氧菌比例，證實設備對復雜樣本的普適性。

（二）腸道菌群功能驗證與代謝機制研究

1、產短鏈脂肪酸（SCFAs）表型分析

在培養箱中構建標準化厭氧發酵體系，定量評估菌群代謝活性：

實驗設計：將目標菌株（如糞桿菌屬Coprococcus eutactus）接種于含菊粉的發酵培養基，設定O?=0.5%、CO?=10%、濕度90%的三氣條件，動態監測pH及SCFAs生成量（氣相色譜檢測）。

關鍵發現：該菌屬在優化條件下48小時內丁酸產量達傳統空氣暴露培養的5倍以上，且乙酸/丙酸比例與人體糞便代謝譜高度一致，為揭示其在宿主能量調控中的作用提供了可靠數據基礎。

2、定植抗性與免疫互作機制研究

病原菌拮抗模型：在低氧環境中模擬腸道共定植場景（如擬桿菌+沙門氏菌），觀察發現前者通過競爭黏附位點及代謝產物（如琥珀酸）抑制后者生長，證實三氣培養條件可真實反映體內菌群 - 病原體互作表型。

宿主因子識別研究：通過APOL9-seq技術結合培養箱厭氧環境，首次發現宿主蛋白APOL9通過特異性識別腸道擬桿菌表面神經酰胺-1-磷酸（Cer1P）脂質標記，誘導細菌釋放外膜囊泡（OMVs）激活宿主IFN-γ-MHC-II免疫通路，揭示菌群-免疫對話的分子機制。

3、機械感受分子調控關聯研究

利用博清生物科技（南京）有限公司研發的三氣培養箱分離腹瀉型腸易激綜合征（IBS-D）患者特征菌群（如可變梭桿菌Fusobacterium varium），并在低氧環境中驗證其通過代謝吲哚衍生物（如吲哚-3-丙烯酸）上調腸上皮機械感受蛋白Piezo2表達，觸發內臟高敏感及腸動力紊亂，為IBS發病機制提供了菌群代謝-神經調控新證據。

（三）菌群干預療法開發支撐

1、益生菌株高通量篩選

設備支持同時運行多組對比實驗（如不同O?濃度梯度、培養基配方或宿主代謝物添加），快速評估候選菌株在模擬腸道環境中的適應性與功能穩定性。例如：

篩選針對帕金森病的潛在益生菌時，在培養箱中構建O?=1%、添加患者糞便代謝物（如 3,4-二羥基苯乙酸）的挑戰環境，高效淘汰不適菌株，富集糞桿菌屬、羅斯氏菌等高豐度保護性菌種。

優化共生菌組合配方（如九株菌制劑）時，通過動態調節氣體程序模擬上消化道過渡至結腸的氧分壓變化，驗證共生體系在復雜環境中的代謝協同效率。

2、糞菌移植（FMT）質量控制

作為FMT標準化關鍵環節，博清生物科技（南京）有限公司研發的三氣培養箱為供體菌群的厭氧復蘇、活性維持及病原體檢測提供了可靠平臺：

供體糞便處理全程在O?≤0.5% 環境下進行，避免專性菌失活；

復蘇后菌群經多輪傳代培養（三氣條件）確保活性穩定，通過SCFAs產量、抗逆基因表達等指標評估移植安全性與有效性。

博清生物科技（南京）有限公司研發的三氣培養箱通過高精度三氣協同控制、自動化均一環境維持及嚴格防污染設計，系統性解決了腸道專性厭氧菌培養的技術瓶頸，顯著提升了菌群分離效率、實驗通量及數據可靠性。其在腸道菌群功能驗證、機制解析及干預開發中的應用，為揭示菌群在代謝、免疫及神經調控中的核心作用提供了關鍵支撐，加速了微生態研究從基礎描述向臨床轉化的跨越。