Новое устройство для моделирования сложной микробиомной среды кишечника человека.

В кишечнике человека обитает несколько тысяч штаммов бактерий. Некоторые из них связаны с болезнью, в то время как другие благотворно влияют на здоровье человека. Выяснить точную роль каждой из этих бактерий может быть сложно, потому что многие из них не могут быть выращены в лабораторных исследованиях с использованием тканей человека.

Эта трудность особенно заметна для видов, которые не могут жить в богатой кислородом среде. Тем не мение, Инженеры-биологи и механики Массачусетского технологического института разработали специальное устройство, с помощью которого они могут выращивать непереносимые кислородом бактерии в тканях, которые воспроизводят слизистую оболочку толстой кишки. позволяя им выжить до четырех дней.

<цитата>

Мы думали, что очень важно предоставить сообществу инструмент, который можно было бы использовать в этом крайнем случае. Мы показали, что можно выращивать эти очень привередливые организмы, и мы смогли изучить их влияние на толстую кишку человека ».

Линда Гриффит, Школа инженерии, профессор преподавания инноваций на факультете биологической инженерии Массачусетского технологического института

Используя эту систему, исследователи показали, что они могут выращивать штамм бактерий под названием Faecalibacterium prausnitzii, который живет в кишечнике человека и защищает от воспалений. Они также показали, что эти бактерии, которые часто уменьшаются у пациентов с болезнью Крона, По-видимому, они оказывают многие из своих защитных эффектов за счет высвобождения жирной кислоты, называемой бутиратом.

Гриффит и Дэвид Трампер, профессор машиностроения Массачусетского технологического института, являются старшими авторами исследования, который появляется сегодня в журнале Med . Постдоки Массачусетского технологического института Цзяньбо Чжан и Ю-Джа Хуанг являются ведущими авторами статьи.

Кислородная чувствительность

Сложную микробиомную среду кишечника человека сложно смоделировать с использованием таких животных, как мыши, отчасти потому, что мыши едят совсем не ту диету, что и люди, - говорит Гриффит.

"Мы многому научились у мышей и других моделей животных, но есть много отличий, особенно когда речь идет о микробиоме кишечника, " она говорит.

Большинство бактерий, обитающих в кишечнике человека, являются анаэробными, Это означает, что им не нужен кислород для выживания. Некоторые из этих бактерий могут переносить низкий уровень кислорода, пока другие, Такие как F. prausnitzii , не может пережить воздействие кислорода, что затрудняет их лабораторное изучение. Некоторые исследователи разработали устройства, в которых они могут выращивать клетки толстой кишки человека вместе с бактериями, которые переносят низкий уровень кислорода, но они не подходят для F. prausnitzii и другие микробы с высокой непереносимостью кислорода.

Чтобы преодолеть это, Команда Массачусетского технологического института разработала устройство, которое позволяет им точно контролировать уровень кислорода в каждой части системы. Их устройство содержит канал, покрытый клетками слизистой оболочки толстой кишки человека. Ниже этих ячеек питательные вещества закачиваются, чтобы клетки оставались живыми. Этот нижний слой богат кислородом, но концентрация кислорода уменьшается к верху слоя клеток слизистой оболочки, аналогично тому, что происходит внутри толстой кишки человека.

Так же, как в толстой кишке человека, барьерные клетки в канале выделяют плотный слой слизи. Команда MIT показала, что F. prausnitzii может образовывать облака клеток во внешнем слое этой слизи и выживать там до четырех дней, в среде, которая не содержит кислорода за счет протекания через нее жидкости. Эта жидкость также содержит питательные вещества для микробов.

Используя эту систему, исследователи смогли показать, что F. prausnitzii действительно влияет на клеточные пути, участвующие в воспалении. Они заметили, что бактерии производят короткоцепочечную жирную кислоту, называемую бутиратом, который, как ранее было показано, уменьшает воспаление. После того, как уровень бутирата повысился, клетки слизистой оболочки показали снижение активности пути, называемого NF каппа B. Это снижение успокаивает воспаление.

"Общий, этот путь был сокращен, что действительно похоже на то, что люди видели у людей, - говорит Чжан. - Похоже, что бактерии снижают чувствительность клеток млекопитающих, чтобы не слишком остро реагировать на опасности во внешней среде. так что состояние воспаления успокаивается бактериями ".

У пациентов с болезнью Крона часто снижается уровень F. prausnitzii , и предполагается, что отсутствие этих бактерий способствует гиперактивному воспалению, наблюдаемому у этих пациентов.

Когда исследователи добавили в систему бутират, без бактерий, он не вызвал всех эффектов, которые они наблюдали, когда присутствовали бактерии. Это говорит о том, что некоторые эффекты бактерий могут проявляться через другие механизмы, которые исследователи надеются продолжить изучение.

Микробы и болезни

Исследователи также планируют использовать свою систему для изучения того, что происходит, когда они добавляют другие виды бактерий, которые, как считается, играют роль в болезни Крона. чтобы попытаться дополнительно изучить эффекты каждого вида.

Они также планируют исследование, работая с Алессио Фазано, заведующий отделением детской гастроэнтерологии и питания Массачусетской больницы общего профиля, для выращивания слизистой оболочки пациентов с глютеновой болезнью и другими желудочно-кишечными расстройствами. Затем эту ткань можно было бы использовать для изучения воспаления, вызванного микробами, в клетках с различным генетическим фоном.

"Мы надеемся получить новые данные, которые покажут, как микробы и воспаление взаимодействуют с генетическим фоном хозяина, чтобы узнать, могут ли быть люди с генетической предрасположенностью к микробам, которые влияют на слизистый барьер немного больше, чем другие люди, "- говорит Гриффит.

Она также надеется использовать устройство для изучения других типов слизистых оболочек. в том числе женского репродуктивного тракта, такие как шейка матки и эндометрий.

• Исследование обнаружило доказательства дисбактериоза кишечника у людей с болезнью Хантингтона.
• Исследование изучает риски рака желудка в конкретных местах среди этнических групп.