A plataforma de Intestine Chip de rato projetada pode ajudar a estudar as interações hospedeiro-microbioma

Trilhões de micróbios comensais vivem nas superfícies mucosas e epidérmicas do corpo e está firmemente estabelecido que esse microbioma afeta a tolerância de seu hospedeiro e a sensibilidade do hospedeiro a uma variedade de patógenos.

p Contudo, a tolerância do hospedeiro à infecção por patógenos não é igualmente desenvolvida em todos os organismos. Por exemplo, sabe-se que o microbioma intestinal de camundongos protege de forma mais eficaz contra a infecção por certos patógenos, como a bactéria Salmonella typhimurium, do que o microbioma intestinal humano.

p Isso levanta a possibilidade interessante de que analisar as diferenças entre as interações hospedeiro-microbioma em humanos e outras espécies, como ratos, e identificar tipos individuais de bactérias que protegem ou sensibilizam contra certos patógenos, poderia levar a tipos inteiramente novos de abordagens terapêuticas.

p Contudo, enquanto a composição do microbioma intestinal e seu efeito nas respostas imunes do hospedeiro foram bem investigados em camundongos, não é possível estudar como o microbioma interage diretamente com as células epiteliais que revestem o intestino em condições altamente definidas, e, assim, descobrir cepas bacterianas específicas que podem induzir tolerância do hospedeiro a patógenos infecciosos.

p Agora, uma equipe colaborativa liderada pelo Diretor Fundador da Wyss, Donald Ingber, M.D., Ph.D. no Instituto Wyss de Engenharia Inspirada na Biologia de Harvard e Dennis Kasper, M.D. na Harvard Medical School (HMS) aproveitou a tecnologia microfluídica Organs-on-Chip (Organ Chip) de Wyss para modelar as diferentes seções anatômicas do intestino do rato e sua simbiose com um microbioma vivo complexo in vitro.

p Os pesquisadores recapitularam os efeitos destrutivos de S. typhimurium na superfície epitelial intestinal em um chip de cólon de camundongo projetado, e em uma análise comparativa de microbiomas de camundongos e humanos foram capazes de confirmar que a bactéria comensal Enterococcus faecium contribui para a tolerância do hospedeiro à infecção por S. typhimurium. O estudo é publicado em Fronteiras na microbiologia celular e de infecções .

p O projeto foi iniciado no âmbito de um projeto "Technologies for Host Resilience" (THoR) apoiado pela DARPA no Wyss Institute, cujo objetivo era descobrir as principais contribuições para a tolerância à infecção, estudando as diferenças observadas em certas espécies animais e humanos. Usando um chip de cólon humano, O grupo de Ingber havia mostrado em um estudo anterior como os metabólitos produzidos por micróbios derivados de fezes de camundongos e humanas têm potencial diferente para impactar a suscetibilidade à infecção por um patógeno E. coli enterohemorrágico.

p A pesquisa biomédica depende fortemente de modelos animais, como ratos, que, sem dúvida, traz enormes benefícios, mas não fornecem uma oportunidade de estudar os processos normais e patológicos dentro de um órgão particular, como o intestino, close-up e em tempo real. Este importante estudo de prova de conceito com o grupo de Dennis Kasper destaca que nossa plataforma de Intestine Chip de camundongo projetada oferece exatamente essa capacidade e fornece a possibilidade de estudar as interações hospedeiro-microbioma com microbiomas de diferentes espécies sob condições altamente controláveis ​​in vitro . "

Donald Ingber, M.D, Ph.D, Diretor Fundador, Wyss Institute for Biologicamente Inspired Engineering em Harvard

p "Dado o nível profundo de caracterização da imunologia do camundongo, essa capacidade pode ajudar muito no avanço do trabalho dos pesquisadores que atualmente usam esses animais para fazer pesquisas sobre o microbioma e as respostas do hospedeiro. Ele permite que eles comparem os resultados obtidos diretamente com chips de intestino humano no futuro, de modo que o foco possa ser a identificação de características da resposta do hospedeiro que sejam mais relevantes para os humanos. "Ingber também é o professor Judah Folkman de Biologia Vascular no HMS e Hospital Infantil de Boston, e Professor de Bioengenharia na Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas de Harvard John A. Paulson.

Projetando uma plataforma de mouse Intestine-on-Chip

p Em seu novo estudo, a equipe se concentrou no trato intestinal do camundongo. "Tradicionalmente, tem sido extremamente difícil modelar as interações hospedeiro-microbioma fora de qualquer organismo, pois muitas bactérias são estritamente anaeróbicas e morrem em condições atmosféricas normais de oxigênio. A tecnologia de chip de órgão pode recriar essas condições, e é muito mais fácil obter células intestinais e imunológicas primárias de camundongos do que depender de biópsias humanas, "disse a primeira autora Francesca Gazzaniga, Ph.D., um pós-doutorado que trabalha entre os grupos de Ingber e Kasper e liderou o projeto.

p Gazzaniga e seus colegas isolaram criptas intestinais de diferentes regiões do trato intestinal de camundongos, incluindo o duodeno, jejuno, íleo, e dois pontos, levaram suas células por meio de uma etapa "organoide" intermediária na cultura, na qual pequenos fragmentos de tecido se formam e crescem, que eles então semearam em um dos dois canais microfluidicamente perfundidos paralelos dos chips de órgãos de Wyss para criar chips de intestino específicos da região.

p O segundo canal de perfusão independente imita a vasculatura sanguínea, e é separado do primeiro por uma membrana porosa que permite a troca de nutrientes, metabólitos, e moléculas secretadas que as células epiteliais intestinais usam para se comunicar com as células vasculares e imunológicas.

Localizando o patógeno

p A equipe então se concentrou no S. typhimurium como um patógeno. Primeiro, eles introduziram o patógeno no lúmen epitelial do Colon Chip de camundongo projetado e recapitulou as principais características associadas à degradação da integridade do tecido intestinal conhecida por estudos em camundongos. incluindo a ruptura de aderências normalmente firmes entre as células epiteliais vizinhas, diminuição da produção de muco, um pico na secreção de uma quimiocina inflamatória chave (o homólogo de camundongo da IL-8 humana), e mudanças na expressão do gene epitelial. Em paralelo, eles mostraram que o Colon Chip de camundongo apoiou o crescimento e a viabilidade de consórcios bacterianos complexos normalmente presentes em microbiomas intestinais de camundongos e humanos.

p Juntando esses recursos, os pesquisadores compararam os efeitos de consórcios microbianos específicos de camundongos e humanos que anteriormente eram mantidos de forma estável nos intestinos de camundongos "gnotobióticos" que foram alojados em condições livres de germes pela equipe de Kasper. Ao coletar microbiomas complexos das fezes desses camundongos, e então inoculá-los nos chips de cólon, os pesquisadores observaram a variabilidade de chip a chip na composição do consórcio, o que lhes permitiu relacionar a composição do micróbio aos efeitos funcionais no epitélio do hospedeiro.

p "Usar o sequenciamento de 16s nos deu uma boa noção das composições microbianas dos dois consórcios, e um grande número de uma espécie individual, Enterococcus faecium, gerado por apenas um deles no Colon Chip, permitiu que o tecido intestinal tolerasse melhor a infecção, "disse Gazzaniga." Isso confirmou muito bem as descobertas anteriores e validou nossa abordagem como uma nova plataforma de descoberta que agora podemos usar para investigar os mecanismos que estão por trás desses efeitos, bem como a contribuição das contribuições vitais das células imunológicas para a tolerância do hospedeiro, bem como processos infecciosos envolvendo outros patógenos. "

p "A tecnologia do intestino do rato em um chip fornece uma abordagem única para entender a relação entre a microbiota intestinal, imunidade do hospedeiro, e um patógeno microbiano. Este importante inter-relacionamento é desafiador para estudar no animal vivo porque existem muitos fatores incontroláveis.

p A beleza deste sistema é que essencialmente todos os parâmetros que você deseja estudar são controláveis ​​e podem ser facilmente monitorados. Este sistema é um passo em frente muito útil, "disse Kasper, quem é o William Ellery Channing Professor de Medicina e Professor de Imunologia no HMS.

p Os pesquisadores acreditam que sua abordagem comparativa in vitro pode revelar uma interlocução cruzada específica entre patógenos e bactérias comensais com células epiteliais e imunológicas intestinais, e que as bactérias que aumentam a tolerância podem ser usadas em terapias futuras, o que pode contornar o problema de aumentar a resistência antimicrobiana de cepas de bactérias patogênicas.

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