香港中文大學（中大）生物醫學工程學系校長特聘助理教授李中教授領導的研究團隊，成功開發首個以人體細胞構建的「微生物－腸道－軟骨軸晶片」（microbe-gut-cartilage axis-on-a-chip，MGCAoC）。該平台為研究腸道菌群如何影響關節健康提供創新工具，團隊利用該晶片發現特定益生菌及其代謝物可促進軟骨發育、減輕關節炎症，為治療骨關節炎（osteoarthritis）帶來新希望。研究成果已發表於國際學術期刊《Science Advances》。

克服傳統模型限制 重建腸道與軟骨聯繫

骨關節炎是全球最常見的關節疾病之一，可引致慢性疼痛、僵硬和活動能力下降，嚴重影響患者的生活質素。現時治療方法主要以緩解症狀為主，仍缺乏有效阻止病情發展的方案。近年愈來愈多臨床證據顯示腸道菌群與關節健康有關，但由於動物模型和傳統實驗室培養皿無法精確模擬人體內複雜的環境，當中的具體機制一直難以直接驗證。

腸道的微生物不但幫助消化，也會產生各種小分子，影響人體的免疫反應和炎症水平。科學界近年開始探索腸道微生物會否影響關節，引發骨關節炎及加劇病情。然而，動物實驗往往未能反映人體生理的真實運作；傳統的實驗室培養皿也難以同時滿足益生菌、腸道細胞和軟骨細胞對生長環境的不同要求。因此，如何直接研究腸道與關節之間的聯繫一直是個科學謎題。

為解決上述難題，中大研究團隊開發出首個整合腸道微生物、腸上皮屏障及人源軟骨類器官的微流控晶片平台。該平台經過精密設計，創造出一個適合益生菌生長的缺氧－有氧界面，同時提供接近人體的流體灌流環境。更重要的是，平台可讓腸道一側產生的有益益生菌代謝物傳遞至軟骨模塊，同時避免不同模塊之間發生污染。換句話說，這枚晶片相當於一個微縮版、可控制的人體模擬模型，讓研究人員能實時觀察腸道菌群如何影響關節軟骨。

益生菌代謝物可促進軟骨組織發育

研究團隊利用該平台，將特定益生菌引入腸道模塊，觀察軟骨類器官的變化。結果顯示，益生菌衍生的代謝物信號可促進軟骨組織發育，並增強多項與健康軟骨相關的分子表達，包括II型膠原蛋白（collagen type II）和聚集蛋白聚糖（aggrecan），而與軟骨分解及退化相關的分子則有所下降。

團隊亦進一步在模擬骨關節炎常見的炎症環境下測試該系統，發現即使在炎症刺激下，益生菌相關代謝物仍可減少炎症和軟骨分解反應，並較好地維持軟骨基質結構。這些結果顯示，特定益生菌對關節軟骨具有直接的保護作用。據新聞稿指出，該平台除了有助深入了解骨關節炎的病理機制，未來亦可應用於篩選益生菌、功能代謝物，甚至其他針對腸道菌群的治療方案。

揭示潛在生物學機制 具臨床應用價值

為深入了解這些保護作用背後的原因，研究團隊進行了多組學分析，確定了幾種在腸道微生物和軟骨之間傳遞訊號的關鍵代謝物和細胞通路。結果顯示，益生菌及其代謝物的有益作用，可能與PI3K/AKT及MAPK/ERK等重要信號通路有關，這些通路已知具有調節細胞生長、組織發育及炎症反應的功能。

研究團隊進一步在骨關節炎患者來源的軟骨類器官中進行驗證，發現部分益生菌衍生代謝物可減少炎症及軟骨退化相關標記物，顯示其具潛在臨床應用價值，為開發更精準、更少副作用的療法提供方向。李中教授表示，這項研究首次以人體細胞構建「微生物－腸道－軟骨軸」體外模型，為研究人員提供新工具，在可控環境下直接探索腸道菌群與關節健康之間的因果關係。

研究意義與未來應用

李中教授指出，該平台除了有助深入了解骨關節炎的病理機制，未來亦可應用於篩選益生菌、功能代謝物，甚至其他針對腸道菌群的治療方案。他認為，這項研究首次以人體細胞構建「微生物－腸道－軟骨軸」體外模型，為研究人員提供新工具，在可控環境下直接探索腸道菌群與關節健康之間的因果關係。

研究團隊相信，此成果有望推動以腸道為切入點的骨關節炎研究，為關節退化性疾病帶來新的治療思路。論文第一作者為劉鋆女士。