Um novo dispositivo para modelar o ambiente microbioma complexo do intestino humano

Vários milhares de cepas de bactérias vivem no intestino humano. Alguns deles estão associados a doenças, enquanto outros têm efeitos benéficos na saúde humana. Descobrir o papel preciso de cada uma dessas bactérias pode ser difícil, porque muitos deles não podem ser cultivados em estudos de laboratório usando tecido humano.

p Essa dificuldade é especialmente pronunciada para espécies que não podem viver em ambientes ricos em oxigênio. Contudo, Os engenheiros biológicos e mecânicos do MIT desenvolveram agora um dispositivo especializado no qual podem cultivar essas bactérias intolerantes ao oxigênio em tecidos que reproduzem o revestimento do cólon, permitindo-lhes sobreviver por até quatro dias.

p Achamos que era muito importante contribuir com uma ferramenta para a comunidade que pudesse ser usada neste caso extremo. Mostramos que você pode cultivar esses organismos muito exigentes, e fomos capazes de estudar os efeitos que eles têm no cólon humano. "

Linda Griffith, Professor da Escola de Engenharia de Ensino de Inovação no Departamento de Engenharia Biológica do MIT

p Usando este sistema, os pesquisadores mostraram que podiam cultivar uma cepa de bactéria chamada Faecalibacterium prausnitzii, que vive no intestino humano e protege contra a inflamação. Eles também mostraram que essas bactérias, que costumam diminuir em pacientes com doença de Crohn, parecem exercer muitos de seus efeitos protetores por meio da liberação de um ácido graxo chamado butirato.

p Griffith e David Trumper, um professor de engenharia mecânica do MIT, são os autores seniores do estudo, que aparece hoje no jornal Med . Os pós-doutorandos do MIT Jianbo Zhang e Yu-Ja Huang são os principais autores do artigo.

Sensibilidade ao oxigênio

p O ambiente do microbioma complexo do intestino humano é difícil de modelar usando animais como camundongos, em parte porque os ratos comem uma dieta muito diferente da humana, Griffith diz.

p "Aprendemos muito com ratos e outros modelos animais, mas existem muitas diferenças, especialmente quando se trata do microbioma intestinal, " ela diz.

p A maioria das bactérias que vivem no intestino humano são anaeróbicas, o que significa que eles não precisam de oxigênio para sobreviver. Algumas dessas bactérias podem tolerar baixos níveis de oxigênio, enquanto outros, tal como F. prausnitzii , não pode sobreviver à exposição ao oxigênio, o que torna difícil estudá-los em um laboratório. Alguns pesquisadores desenvolveram dispositivos nos quais podem cultivar células do cólon humano junto com bactérias que toleram baixos níveis de oxigênio, mas estes não funcionam bem para F. prausnitzii e outros micróbios altamente intolerantes ao oxigênio.

p Para superar isso, a equipe do MIT projetou um dispositivo que permite controlar com precisão os níveis de oxigênio em cada parte do sistema. Seu dispositivo contém um canal que é revestido com células da barreira da mucosa humana do cólon. Abaixo dessas células, nutrientes são bombeados para manter as células vivas. Esta camada inferior é rica em oxigênio, mas a concentração de oxigênio diminui em direção ao topo da camada de células da mucosa, semelhantemente ao que acontece no interior do cólon humano.

p Assim como no cólon humano, as células barreira no canal secretam uma densa camada de muco. A equipe do MIT mostrou que F. prausnitzii pode formar nuvens de células na camada externa deste muco e sobreviver lá por até quatro dias, em um ambiente que é mantido livre de oxigênio pelo fluido que flui através dele. Este fluido também contém nutrientes para os micróbios.

p Usando este sistema, os pesquisadores foram capazes de mostrar que F. prausnitzii influencia as vias celulares envolvidas na inflamação. Eles observaram que a bactéria produz um ácido graxo de cadeia curta chamado butirato, que já foi demonstrado que reduz a inflamação. Depois que os níveis de butirato subiram, as células da mucosa mostraram uma redução na atividade de uma via chamada NF kappa B. Essa redução acalma a inflamação.

p "Geral, este caminho foi reduzido, que é muito semelhante ao que as pessoas viram em humanos, "Diz Zhang." Parece que as bactérias estão dessensibilizando as células dos mamíferos para não reagirem exageradamente aos perigos do ambiente externo, então o estado de inflamação está sendo acalmado pelas bactérias. "

p Pacientes com doença de Crohn frequentemente apresentam níveis reduzidos de F. prausnitzii , e a falta dessas bactérias é considerada como contribuindo para a inflamação hiperativa observada nesses pacientes.

p Quando os pesquisadores adicionaram butirato ao sistema, sem bactérias, não gerou todos os efeitos que eles viram quando a bactéria estava presente. Isso sugere que alguns dos efeitos da bactéria podem ser exercidos por outros mecanismos, que os pesquisadores esperam investigar mais.

Micróbios e doenças

p Os pesquisadores também planejam usar seu sistema para estudar o que acontece quando adicionam outras espécies de bactérias que se acredita desempenhar um papel na doença de Crohn, para tentar explorar ainda mais os efeitos de cada espécie.

p Eles também estão planejando um estudo, trabalhando com Alessio Fasano, o chefe da divisão de gastroenterologia pediátrica e nutrição do Massachusetts General Hospital, para fazer crescer o tecido da mucosa de pacientes com doença celíaca e outros distúrbios gastrointestinais. Esse tecido poderia então ser usado para estudar a inflamação induzida por micróbios em células com diferentes origens genéticas.

p "Esperamos obter novos dados que mostrem como os micróbios e a inflamação funcionam com a base genética do hospedeiro, para ver se pode haver pessoas que têm uma suscetibilidade genética de ter micróbios interferindo com a barreira mucosa um pouco mais do que outras pessoas, "Griffith diz.

p Ela também espera usar o dispositivo para estudar outros tipos de barreiras mucosas, incluindo aqueles do trato reprodutivo feminino, como o colo do útero e o endométrio.

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