用于组装和使用微型生物反应器阵列 （MBRA） 的更新协议
2025年9月5日
微型生物反应器阵列 （MBRA） 是一种高通量、可定制的连续流培养系统，能够培养复杂的微生物群落，支持并行实验以研究微生物组动力学、治疗相互作用和微生物对环境因素的反应。
因此，我们的研究重点是肠道微生物组，特别是如何对其进行工程设计以防止有害病原体的定植。同时，我们也有兴趣了解这种殖民抵抗背后的生态规则和机制。下一代测序、先进的生物信息学、无菌小鼠和体外肠道模型等技术都在改变我们研究微生物群落及其在健康和疾病中的作用的方式。
体外肠道模型的最大挑战之一是以高通量运行它们。我们需要的是能够对微生物群落进行大规模功能性调查的系统。微型生物反应器阵列是一种连续流培养系统，旨在解决其他系统吞吐能力不足的问题。
它使我们能够扩大实验规模，同时仍然捕获复杂且可重复的微生物群落行为。首先，确保微型生物反应器阵列条是 3D 打印的，并包含六个独立的生物反应器室。排列装配所需的所有组件。
使用 1/4 英寸 28 NF 分数丝锥和 T 形手柄丝锥扳手。在每个腔室中穿入三个 1/4 英寸端口以插入接头。用水清洗腔室后，将 10 x 3 毫米的磁力搅拌棒放入每个腔室中，并加入一毫升蒸馏水。
然后在生物反应器的每个端口顶部放置一个橡胶垫圈。对于每个腔室，将一个介质吸管螺纹公鱼饵、一个废吸管螺纹公鱼饵和一个空螺纹公鱼饵拧入端口。现在将六个橡胶隔垫插入 3/32 英寸的母性诱饵倒钩上，并将每个隔膜的上袖向下折叠以覆盖颈部。
将它们连接到每个腔室的指定端口。切割所需长度和数量的 C-flex 管条。将 1/8 英寸的母鱼饵倒钩连接到每根管子长度的一端，将公鱼饵锁连接器连接到另一端。
然后将一个 1/16 英寸的母鱼饵倒钩插入内径为 1.14 毫米的红色两档 E-lab 管和内径为 0.89 毫米的橙色两档 E-lab 管的两端。将准备好的 E-lab 管连接到 C-flex 管，并确保六个 C-flex 管长度中的每一个都通过母诱饵连接到一条红色和一条橙色 E-lab 线。接下来，根据需要将 C-flex 管切割成不同的长度。
将 1/8 英寸母鱼饵倒钩和一个公鱼饵锁连接器连接到一个 3 英寸的鱼饵和 12 英寸的 C-flex 管的两端。将公鱼饵锁连接器连接到其余部件的两端。根据 3D 图组装废料线树。
根据 C-flex 管长度，将红色两端 E-lab 管的暴露端按升序连接到废料线树上的终端公诱饵锁上。然后将 3 英寸 C-flex 管与 1/8 英寸母鱼饵倒钩和公鱼饵锁连接器连接到废料线树的顶部。根据 3D 图组装进给线树。
根据 C-flex 管长度，将橙色两档 E-lab 管的暴露端桥接到饲料线树上的终端公鱼饵锁，并将 12 英寸 C-flex 管连接到饲料线树的顶部。将进料线树末端的可变长度 C-flex 管连接到生物反应器上，从左边最短的线到右边最长的线按升序排列。将废弃物管树末端的可变长度 C-flex 管按降序连接到生物反应器条上，最长的线在左边，最短的线在右边，以适应泵的放置。
将所有 C-flex 进料线捆绑在条带的左侧，并用麻花带固定。在C-flex管线之间用橙色两端E-lab管形成一个环，并使用高压灭菌胶带固定环，然后对生物反应器条废液侧的红色两端E-lab管重复该过程。用箔纸覆盖废物末端的雌性诱饵和喂线树，以防止污染。
松开每个生物反应器室上带有隔垫的外螺纹诱饵，以便在高压灭菌过程中让蒸汽逸出。将组件放入高压灭菌箱后，将进料线和废料线树拉伸到单独的箱中，与包含 MBRA 条的箱相邻。要将系统连接到泵上，请取下固定 E-lab 管路的废液管和进料管的高压灭菌器胶带，并解开 C-flex 管束。
将 MBRA 放置在搅拌板顶部的两个泵之间。使用 3D 打印支架将其夹紧，并将其与板上标记的搅拌位置对齐。现在将进料管线 E-lab 管连接到蠕动泵滤芯，并将管路挡块定位到滤芯槽中。
对位于搅拌板右侧的泵上的废料管线 E-lab 管重复该过程。然后将蠕动泵滤芯锁定到泵中。使用 3D 打印的管架整齐地排列 C-flex 管。
将废水管树的末端连接到连接到废水瓶的管道。接下来，将进料管线入口管上的母诱饵连接到介质瓶盖上 12 英寸管上的公连接器。打开两个泵以开始介质流动，并确保当废物位于泵的右侧时，两个泵都设置为顺时针旋转。
观察每个生物反应器室中的液滴大小和节奏。如果发现任何变化或异常，请更换连接到受影响腔室的橙色两端 E-lab 管，以减少流速变化。一旦腔室装满，关闭两个泵，让生物反应器静置 24 至 48 小时，以检查污染情况，然后再开始实验。
将培养基输入切换到装有去离子水中的 10% 漂白剂的 1 升容器中，并将两个泵的流速增加到最大，以用漂白剂取代生物反应器室的内容物。一旦腔室中没有介质，将 MBRA 倒置以在填充线上方消毒五分钟。五分钟后，正确设置系统并再等待五分钟进行灭菌。
清除腔室中的介质并灭菌 10 分钟后，用一升去离子水替换漂白剂并冲洗系统，直到水通过。然后断开生物反应器 E-lab 管与泵的连接并移除 MBRA。从生物反应器中取出用过的隔垫并排空每个腔室，直到只剩下一毫升水。
更换隔垫、橙色两端 E-lab 管，并如前所述高压灭菌完全组装好的条带。重复使用三个周期后，请按照以下步骤作。制备人类粪便样本并在MBRA系统中生长。
经过4天的连续流动，所有9个生物反应器中的微生物群落均以18个细菌属为主，每个菌属在任何重复中至少占相对丰度的2%。在检测到的 65 个属中，有 22 个存在于所有 9 个生物反应器重复中，表现出高重现性。α 多样性分析显示，在观察到的作分类单元和香农多样性指数中，重复之间的差异很小。
概述
本研究专注于工程化肠道微生物群以防止有害病原体的定植。利用创新的微型生物反应器阵列（MBRA），该研究旨在通过高通量、连续流动培养系统评估微生物群落动态及其对各种环境因素的反应。
关键研究组成部分
研究领域
- 肠道微生物群
- 微生物群落动态
- 病原体定植抗性
背景
- 微生物群在健康和疾病中的重要性
- 研究微生物系统需要高通量的必要性
- 传统体外肠道模型面临的挑战
使用的方法
- 微型生物反应器阵列（MBRA）用于微生物培养
- 体外肠道模型
- 下一代测序和高级生物信息学
主要结果
- 证明了MBRA捕捉复杂微生物行为的能力
- 成功扩大实验规模同时保持可重复性
- 确定了定植抗性背后的生态机制
结论
- 该研究突出了工程化肠道微生物群在预防病原体定植方面的潜力。
- 它强调了创新培养系统在推进我们对微生物群落理解方面的重要性。
常见问题
Executive Industry Relevance
High-throughput, reproducible in vitro modeling of human-derived microbial communities is essential for advancing microbiome-based therapeutic discovery and mechanistic de-risking. The Minibioreactor Array (MBRA) system enables scalable, parallel cultivation of complex microbiota, supporting robust hypothesis testing and functional screening. Its modularity and reproducibility position it as a critical platform for early-stage microbiome R&D and translational pipeline integration.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables functional interrogation of microbial communities for mechanistic de-risking and target validation.
- Supports reproducible assessment of colonization resistance and ecological interactions relevant to disease models.
- Facilitates hypothesis-driven studies on microbiome responses to environmental or therapeutic perturbations.
Screening & Assay Development
- Provides a standardized, scalable platform for parallel screening of microbial responses to compounds, antibiotics, or pathogens.
- Delivers quantitative, reproducible outputs suitable for assay development and cross-study comparison.
- Enables preparation of validated microbial systems for downstream functional or phenotypic screening workflows.
Translational & Preclinical Research
- Supports modeling of disease-relevant microbial ecosystems for translational biomarker discovery.
- Maintains continuity from discovery through preclinical validation by enabling stable, complex community cultivation.
- Reduces translational risk by providing predictive, reproducible in vitro data on microbiome interventions.
Pipeline & Workflow Integration
The MBRA system integrates into the discovery-to-preclinical continuum by enabling scalable, reproducible microbiome modeling and screening.
- Discovery Biology: Facilitates hypothesis testing and mechanistic clarification of microbial community functions.
- Screening: Provides assay-ready, standardized outputs for compound or intervention evaluation.
- Analytics: Supports quantitative measurement of community composition and diversity for robust comparison.
- Translational Research: Aligns in vitro findings with preclinical models for biomarker and intervention validation.
- Enterprise Reuse: Offers a modular, customizable platform adaptable across diverse microbiome research programs.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence and reduces mechanistic ambiguity in microbiome-targeted R&D.
- Operational Value: Enhances standardization, reproducibility, and scalability of microbiome experiments.
- Strategic Value: Improves go/no-go decision quality and capital efficiency by enabling robust early-stage data generation.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization and advancement of microbiome-based therapeutic candidates.
Implementation Considerations
- Requires technical expertise in bioreactor assembly, sterilization, and operation.
- Needs access to 3D printing, peristaltic pumps, and analytical infrastructure for community profiling.
- Demands cross-team standardization for reproducibility and data comparability.
- Adaptable to various experimental designs and microbial sources with protocol customization.
- Throughput and complexity may be limited by available instrumentation and analytical capacity.
