Metabolieten van het menselijke microbioom versterken de schade aan de dikke darm door enterohemorrhagische E. coli,

studie toont Het blijft mysterieus waarom mensen relatief gemakkelijk geïnfecteerd raken door sommige bacteriële of virale pathogenen, terwijl dieren met zeer vergelijkbare weefsels en immuunfuncties dat niet doen. Deze kloof is ook de reden waarom onderzoekers vaak problemen ondervinden bij het modelleren van pathogene ziekten in diermodellen, zoals muizen, en waarom geneesmiddelen die met deze benadering zijn ontwikkeld, vaak falen bij mensen.

Een treffend voorbeeld van soortspecifieke verschillen in tolerantie voor infectie is te zien in de reactie op enterohemorragische E coli (EHEC) bacteriën, die verantwoordelijk zijn voor meer dan 100, 000 infecties per jaar alleen al in de VS, en de oorzaak van bloederige diarree (reisdiarree), colitis en hemolytisch-uremisch syndroom (HUS) - een ernstige aandoening die nierfalen veroorzaakt nadat ze het shiga-toxine van EHEC tegenkomen. Het is al jaren bekend dat er 100, 000 keer meer pathogene EHEC-bacteriën om muizen te infecteren dan mensen, en dat muizen geen symptomen van de ziekte ontwikkelen, tenzij de dieren worden gekweekt onder speciale kiemvrije omstandigheden waarin ze geen normaal commensaal darmmicrobioom hebben.

Een multidisciplinair team van biologische ingenieurs, microbiologen, en systeembiologen van het Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering van Harvard, die werken aan het door DARPA ondersteunde project "Technologies for Host Resilience" (THoR), wiens doel het is om de oorzaken van de tolerantie voor infectie van bepaalde individuen of soorten bloot te leggen, is er nu in geslaagd om infectie van de menselijke dikke darm met EHEC in vitro te modelleren met behulp van een microfluïdisch Organ-on-a-Chip (Organ Chip) -cultuurapparaat. Verrassend genoeg, hun aanpak maakte de identificatie mogelijk van de belangrijkste verschillen tussen de metabolieten die worden geproduceerd door de complexe gemeenschappen van commensale bacteriën die het microbioom vormen dat aanwezig is in de muis versus de menselijke dikke darm. Ze ontdekten dat vier metabolieten die op hogere niveaus door het menselijke darmmicrobioom worden geproduceerd, de verhoogde gevoeligheid van de menselijke dikke darm voor EHEC kunnen helpen verklaren. De studie is gepubliceerd in Microbioom .

"We werden gemotiveerd door de observatie dat er vaak enorme verschillen zijn in gevoeligheid tussen de darm van mens en muis wanneer ze worden uitgedaagd met dezelfde ziekteverwekker, en eerder werk dat heeft aangetoond dat sommige van deze verschillen in tolerantie voor infectie kunnen worden verklaard door verschillen in het darmmicrobioom tussen deze soorten, " zei Donald Ingber, oprichter van het Wyss Institute, MD, doctoraat, die de studie leidde. "Om dit probleem direct aan te pakken, we hebben onze menselijke orgaanchiptechnologie gebruikt en deze gecombineerd met microbiële metabolieten geproduceerd in bioreactoren, evenals metabolomische analyse, om inzicht te krijgen in de moleculaire basis voor dit soortspecifieke verschil in gevoeligheid voor EHEC." Ingber is ook de Judah Folkman Professor of Vascular Biology aan de Harvard Medical School (HMS) en het Vascular Biology Program aan het Boston Children's Hospital, evenals hoogleraar bio-engineering aan de John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences van Harvard.

Omdat EHEC voornamelijk de menselijke dikke darm infecteert, het team heeft eerst een Colon Chip geassembleerd met behulp van zijn microfluïdische cultuurtechnologie en gebruikmakend van hun recente vooruitgang bij het gebruik van darmweefselfragmenten die bekend staan ​​​​als organoïden als tussenproducten voor het genereren van een zeer functioneel darmepitheel dat spontaan vingerachtige uitsteeksels vormt die darmvlokken worden genoemd in het apparaat. In de Colon-chip, het colonepitheel vormt een van de twee parallelle kanalen (het "intestinale luminale kanaal") die worden gescheiden door een poreus membraan dat is gecoat met een extracellulaire matrix (ECM) waaraan cellen zich bij voorkeur hechten. Het tegenovergestelde kanaal (het "vasculaire kanaal") is bekleed met menselijke intestinale endotheelcellen die een bloedvat nabootsen dat het colonepitheel ondersteunt en ermee communiceert.

Het team testte of de volledige complexiteit van oplosbare moleculen geproduceerd door complexe microbiotische gemeenschappen van muizen en mensen, gekweekt in bioreactoren die het milieu in de dikke darm nabootsten, op een andere manier de EHEC-infectie in de menselijke Colon Chips beïnvloedde. "Het was opvallend - na toevoeging van menselijke microbioom-specifieke metabolieten was het menselijke colonepitheel ernstig gewond met grote laesies die verschenen waar cellen stierven en loslieten van het weefsel, terwijl hetzelfde menselijke epitheel dat werd blootgesteld aan microbioom-specifieke metabolieten van muizen veel minder werd beïnvloed, " zei eerste auteur Alessio Tovaglieri, die zijn afstudeerwerk verrichtte in het team van Ingber als student aan de ETH Zürich in Zwitserland. "Interessant, de pathogene EHEC-bacteriën verwondden het colonweefsel niet in afwezigheid van microbioommetabolieten, en de complexe metabolietmengsels zelf hadden geen effect in de afwezigheid van EHEC."

Het team kon aantonen dat de verschillen in verwondingen veroorzaakt door metabolieten van het microbioom van mens en muis niet te wijten waren aan veranderingen in inflammatoire cytokines, verschillen in de productie van shigatoxine, of veranderingen in het vermogen van EHEC om het colonepitheel te koloniseren. Om dichter bij de werkelijke grondoorzaken te komen, ze voerden transcriptomics-analyse uit, het analyseren van veranderingen in genexpressie in de EHEC-bacteriën bij blootstelling aan de metabolieten van het microbioom van de mens en de muis en metabolomics-analyse om verschillen in de chemische samenstelling van de twee metabolietmengsels te identificeren.

"Genen die coderen voor eiwitten die werken in EHEC-chemotaxis en flagellaire motiliteit scoorden het hoogst van alle genen die specifiek werden opgereguleerd door de metabolieten van het menselijk microbioom en die de pathogeniteit leken te verbeteren, en, interessant, we ontdekten dat EHEC-bacteriën die werden blootgesteld aan de metabolieten van het menselijk microbioom veel beweeglijker waren, " zei Tovaglieri. Flagellae zijn de complexe slanke aanhangsels die veel bacteriën gebruiken als motoren om zichzelf naar voedselbronnen te verplaatsen (chemotaxis).

Van de 426 metabolieten die op verschillende niveaus aanwezig waren in de twee metabolietenmengsels, een combinatie van vier menselijke microbioommetabolieten, die allemaal verhoogd waren in vergelijking met hun niveaus in het microbioom van de muis, was voldoende om de EHEC-motiliteit in een gerecht te verhogen. belangrijk, ze waren ook voldoende om het metabolietmengsel van het normaal onschadelijke muizenmicrobioom om te zetten in een mengsel dat schade aan het colonweefsel in het menselijke Colon Chip-apparaat vergemakkelijkt, waardoor het net zo effectief is als de metabolieten van het menselijk microbioom. Sommige van deze zelfde metabolieten worden in veel hogere concentraties aangetroffen bij kinderen waarvan ook bekend is dat ze gevoeliger zijn voor EHEC-infectie.

"Dit werk heeft potentiële moleculaire doelwitten blootgelegd die kunnen helpen het lijden van patiënten met EHEC te verlichten als we manieren zouden kunnen ontwikkelen om hun productie te onderdrukken of hun verwijdering bij mensen te verbeteren. Dezelfde benadering van menselijke orgaanchips in combinatie met metabolomics zou kunnen helpen om andere metabolieten te identificeren die mediëren beschermende effecten en verhoogde tolerantie voor andere infecties in de toekomst.Het kan ons ook helpen om meer inzicht te krijgen in waarom bepaalde personen gevoelig zijn voor infecties, terwijl anderen tolerant zijn, ' zei Inger.

• Onderzoekers identificeren een effectievere behandeling voor kanker
• Gecombineerde immunosuppressie kan effectief zijn,