肠道菌群作为人体重要的微生态系统，在宿主代谢、免疫调节及疾病发生发展中扮演关键角色。厌氧微生物是肠道菌群的核心组成部分，其精准培养是深入解析肠道菌群功能及互作机制的基础。博清生物科技（南京）有限公司研发的三气培养箱凭借其高精度气体控制、自动化运行、严格防污染设计及高效环境模拟能力，为厌氧微生物培养提供了理想的技术平台。
人体肠道栖息着万亿级微生物群落（肠道菌群），其组成与功能直接影响宿主的营养代谢、免疫稳态及神经内分泌调控等关键生理过程。据统计，肠道微生物中约99%为严格或兼性厌氧菌，如拟杆菌门、厚壁菌门（含梭菌、粪杆菌属等）构成的专性厌氧核心菌群，是驱动碳水化合物发酵、短链脂肪酸（SCFAs）合成及抵御病原菌定植的关键功能类群。这些微生物对氧气极度敏感，传统的空气暴露操作极易导致其失活，严重制约了对肠道菌群结构、代谢及宿主互作机制的深入解析。
厌氧微生物培养是肠道菌群研究的基础环节。从菌群分离纯化到功能验证实验，均依赖严格可控的低氧环境。传统培养方法（如Hungate滚管技术）虽能部分实现厌氧条件，但操作繁琐、通量低且污染风险高，难以满足高通量筛选、长期动态监测及机制研究需求。博清生物科技（南京）有限公司研发的三气培养箱（精确调控O₂/CO₂/N₂比例）通过自动化气体控制、高效均一的温度湿度维持及防污染设计，为肠道专性厌氧菌提供了接近生理环境的稳定培养条件，成为突破现有研究瓶颈的关键技术工具。本文将系统探讨该设备在肠道菌群研究中的核心价值与应用实践。
一、肠道菌群的重要性及培养挑战
（一）肠道菌群的生物学意义
1、代谢调控与营养吸收
专性厌氧菌主导肠道复杂碳水化合物的发酵过程，将膳食纤维、抗性淀粉等宿主难以消化的多糖转化为短链脂肪酸（如丁酸、丙酸、乙酸）。这些代谢产物不仅为结肠上皮细胞提供能量底物（丁酸是结肠细胞主要能源），还通过血液循环调节肝脏糖脂代谢、胰岛素敏感性及脂肪组织能量稳态。此外，肠道菌群参与维生素合成（如维生素K、B族）及胆汁酸代谢重编程，直接影响宿主营养状态。
2、免疫屏障与疾病防御
肠道菌群通过诱导抗菌肽分泌（如Reg3γ）、竞争黏附位点及代谢产物调控（如SCFAs 激活Treg细胞），构建抵御病原菌（如沙门氏菌、艰难梭菌）的定植抗性屏障。菌群失衡（如专性厌氧菌丰度下降）可引发肠道通透性增加、免疫过度激活，进而关联炎症性肠病（IBD）、肥胖、糖尿病及过敏性疾病等慢性病症的发生发展。
3、神经内分泌与宿主互作
新兴研究揭示肠道菌群通过“肠-脑轴”双向调控宿主生理与行为。例如，专性厌氧菌代谢产生的色氨酸衍生物（吲哚类化合物）可激活肠内分泌L细胞分泌GLP-1调节血糖，或经迷走神经传递影响中枢神经系统功能。粪杆菌属等核心产丁酸菌的丰度降低还与帕金森病、抑郁症等神经退行性疾病密切相关。
（二）肠道厌氧微生物培养的技术瓶颈
传统培养方法面临多重挑战：
1、严格厌氧条件难以维持：手工操作（如Hungate技术）需在氮气环境中进行培养基转移、接种等步骤，频繁开盖导致氧气短暂暴露，显著降低专性厌氧菌（如拟杆菌、梭菌）的存活率与活性。据统计，部分极端厌氧菌（如嗜黏蛋白阿克曼菌）在空气暴露超30秒后即完全失活，传统方法活菌回收率不足10%。
2、通量低与操作繁琐：滚管技术单次仅处理少量样本，且步骤涉及胶塞密封、液氮速冻等复杂流程，难以满足大规模菌株筛选或时间序列实验需求。
3、污染风险与环境波动：开放操作易引入外界杂菌污染；温度、湿度及气体浓度波动（如手工通气不均匀）影响菌群生长一致性，导致实验结果重复性差。
4、模拟生理环境能力不足：多数传统培养箱无法精确复现肠道微环境的低氧（O₂≤1%）、高CO₂（5%-15%）及湿度（＞80%）条件，影响菌群代谢表型的真实性表达。
二、在肠道菌群研究中的具体应用实践
（一）肠道专性厌氧菌的高效分离与纯化
培养箱显著提升了严格厌氧菌株的回收率与活性：
1、操作流程优化：粪便样本经均质化处理后，直接在培养箱内置操作台完成梯度稀释及厌氧培养基接种（如强化梭菌培养基），全程O₂≤0.5% 环境避免活菌损失。
2、典型案例验证：以分离产丁酸核心菌属（粪杆菌属）为例：
样本处理：将新鲜粪便悬液在氮气吹扫手套箱初步稀释后转入培养箱内；
接种培养：用自动化移液系统接种至预还原培养基平板（含刃天青氧指示剂），密封后置入37℃三气环境（O₂=0.5%，CO₂=10%）培养48-72小时；
结果：与传统Hungate法相比，粪杆菌属单菌落形成效率提升3倍以上，菌落形态饱满均一，活菌纯度＞95%（16S rRNA测序验证）。
3、菌种多样性覆盖：成功分离鉴定草鱼肠道黏膜专性厌氧菌（如拟杆菌属Bacteroides paurosaccharolyticus、梭杆菌属Fusobacterium ulcerans），揭示后肠段较前中肠具有更高细菌丰度与专性厌氧菌比例，证实设备对复杂样本的普适性。
（二）肠道菌群功能验证与代谢机制研究
1、产短链脂肪酸（SCFAs）表型分析
在培养箱中构建标准化厌氧发酵体系，定量评估菌群代谢活性：
实验设计：将目标菌株（如粪杆菌属Coprococcus eutactus）接种于含菊粉的发酵培养基，设定O₂=0.5%、CO₂=10%、湿度90%的三气条件，动态监测pH及SCFAs生成量（气相色谱检测）。
关键发现：该菌属在优化条件下48小时内丁酸产量达传统空气暴露培养的5倍以上，且乙酸/丙酸比例与人体粪便代谢谱高度一致，为揭示其在宿主能量调控中的作用提供了可靠数据基础。
2、定植抗性与免疫互作机制研究
病原菌拮抗模型：在低氧环境中模拟肠道共定植场景（如拟杆菌+沙门氏菌），观察发现前者通过竞争黏附位点及代谢产物（如琥珀酸）抑制后者生长，证实三气培养条件可真实反映体内菌群 - 病原体互作表型。
宿主因子识别研究：通过APOL9-seq技术结合培养箱厌氧环境，首次发现宿主蛋白APOL9通过特异性识别肠道拟杆菌表面神经酰胺-1-磷酸（Cer1P）脂质标记，诱导细菌释放外膜囊泡（OMVs）激活宿主IFN-γ-MHC-II免疫通路，揭示菌群-免疫对话的分子机制。
3、机械感受分子调控关联研究
利用博清生物科技（南京）有限公司研发的三气培养箱分离腹泻型肠易激综合征（IBS-D）患者特征菌群（如可变梭杆菌Fusobacterium varium），并在低氧环境中验证其通过代谢吲哚衍生物（如吲哚-3-丙烯酸）上调肠上皮机械感受蛋白Piezo2表达，触发内脏高敏感及肠动力紊乱，为IBS发病机制提供了菌群代谢-神经调控新证据。
（三）菌群干预疗法开发支撑
1、益生菌株高通量筛选
设备支持同时运行多组对比实验（如不同O₂浓度梯度、培养基配方或宿主代谢物添加），快速评估候选菌株在模拟肠道环境中的适应性与功能稳定性。例如：
筛选针对帕金森病的潜在益生菌时，在培养箱中构建O₂=1%、添加患者粪便代谢物（如 3,4-二羟基苯乙酸）的挑战环境，高效淘汰不适菌株，富集粪杆菌属、罗斯氏菌等高丰度保护性菌种。
优化共生菌组合配方（如九株菌制剂）时，通过动态调节气体程序模拟上消化道过渡至结肠的氧分压变化，验证共生体系在复杂环境中的代谢协同效率。
2、粪菌移植（FMT）质量控制
作为FMT标准化关键环节，博清生物科技（南京）有限公司研发的三气培养箱为供体菌群的厌氧复苏、活性维持及病原体检测提供了可靠平台：
供体粪便处理全程在O₂≤0.5% 环境下进行，避免专性菌失活；
复苏后菌群经多轮传代培养（三气条件）确保活性稳定，通过SCFAs产量、抗逆基因表达等指标评估移植安全性与有效性。
博清生物科技（南京）有限公司研发的三气培养箱通过高精度三气协同控制、自动化均一环境维持及严格防污染设计，系统性解决了肠道专性厌氧菌培养的技术瓶颈，显著提升了菌群分离效率、实验通量及数据可靠性。其在肠道菌群功能验证、机制解析及干预开发中的应用，为揭示菌群在代谢、免疫及神经调控中的核心作用提供了关键支撑，加速了微生态研究从基础描述向临床转化的跨越。
