Os metabólitos do microbioma humano aumentam a lesão do cólon por E. coli enterohemorrágica,

programas de estudo Permanece um mistério por que os humanos são infectados por alguns patógenos bacterianos ou virais com relativa facilidade, enquanto os animais que têm tecidos e funções imunológicas muito semelhantes não. Esse abismo também é a razão pela qual os pesquisadores freqüentemente enfrentam problemas em seus esforços para modelar doenças patogênicas em modelos animais, como ratos, e por que drogas desenvolvidas usando essa abordagem geralmente falham em humanos.

p Um exemplo marcante de diferenças específicas da espécie na tolerância à infecção pode ser visto na resposta ao enterohemorrágico E. coli (EHEC) bactérias, que são responsáveis ​​por mais de 100, 000 infecções por ano apenas nos EUA, e a causa da diarreia com sangue (diarreia em viagens), colite e síndrome hemolítico-urêmica (SHU) - uma condição séria que induz a falência dos rins após encontrarem a toxina Shiga da EHEC. Há anos sabe-se que leva 100, Número 000 vezes maior de bactérias EHEC patogênicas para infectar camundongos em comparação com humanos, e que os ratos não desenvolvem os sintomas da doença, a menos que os animais sejam criados em condições especiais livres de germes, nas quais não tenham um microbioma intestinal comensal normal.

p Uma equipe multidisciplinar de engenheiros biológicos, microbiologistas, e biólogos de sistemas no Wyss Institute for Biologicamente Inspired Engineering de Harvard, trabalhando no projeto "Technologies for Host Resilience" (THoR) apoiado pela DARPA, do Instituto, cujo objetivo é descobrir as causas da tolerância à infecção exibida por certos indivíduos ou espécies, conseguiu agora modelar a infecção do cólon humano com EHEC in vitro usando um dispositivo de cultura microfluídico Organ-on-a-Chip (Organ Chip). Surpreendentemente, sua abordagem permitiu a identificação das principais diferenças entre os metabólitos produzidos pelas comunidades complexas de bactérias comensais que compõem o microbioma presente no cólon de camundongo e humano. Eles descobriram que quatro metabólitos produzidos em níveis mais elevados pelo microbioma intestinal humano podem ajudar a explicar a maior sensibilidade do cólon humano em relação à EHEC. O estudo foi publicado em Microbiome .

p "Fomos motivados pela observação de que muitas vezes existem enormes diferenças de sensibilidade entre o intestino humano e de camundongo quando desafiados com o mesmo patógeno, e trabalhos anteriores que mostraram que algumas dessas diferenças na tolerância à infecção podem ser explicadas por diferenças no microbioma intestinal entre essas espécies, "disse o Diretor Fundador do Wyss Institute, Donald Ingber, M.D., Ph.D., quem conduziu o estudo. "Para atacar este problema diretamente, alavancamos nossa tecnologia de Chip de Órgão humano e a combinamos com metabólitos microbianos produzidos em biorreatores, bem como análise metabolômica, para obter informações sobre a base molecular para esta diferença específica da espécie na sensibilidade ao EHEC. "Ingber também é o Professor Judah Folkman de Biologia Vascular na Harvard Medical School (HMS) e no Programa de Biologia Vascular no Hospital Infantil de Boston, bem como Professor de Bioengenharia na Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas John A. Paulson de Harvard.

p Como o EHEC infecta principalmente o cólon humano, a equipe montou primeiro um Colon Chip usando sua tecnologia de cultura microfluídica e aproveitando seus avanços recentes no uso de fragmentos de tecido intestinal conhecidos como organoides como intermediários para a geração de um epitélio intestinal altamente funcional que espontaneamente forma projeções semelhantes a dedos chamadas vilosidades intestinais no dispositivo. No Chip do Cólon, o epitélio do cólon alinha um dos dois canais paralelos (o "canal luminal intestinal") que são separados por uma membrana porosa revestida com uma matriz extracelular (MEC) à qual as células preferencialmente aderem. O canal oposto (o "canal vascular") é revestido por células endoteliais intestinais humanas que imitam um vaso sanguíneo que sustenta e se comunica com o epitélio do cólon.

p A equipe testou se a complexidade total das moléculas solúveis produzidas por comunidades microbiotais complexas de camundongos e humanos cultivadas em biorreatores que imitavam o meio intestinal grosso afetavam de forma diferente a infectividade EHEC nos chips de cólon humanos. "Foi impressionante - após a adição de metabólitos específicos do microbioma humano, o epitélio do cólon humano foi gravemente ferido com grandes lesões aparecendo onde as células morreram e se desprenderam do tecido, enquanto o mesmo epitélio humano exposto a metabólitos específicos do microbioma de camundongo foi muito menos afetado, "disse o primeiro autor Alessio Tovaglieri, que realizou seu trabalho de pós-graduação na equipe de Ingber como aluno da ETH Zurich, na Suíça. "Interessantemente, a bactéria EHEC patogênica não feriu o tecido do cólon na ausência de metabólitos do microbioma, e as próprias misturas de metabólitos complexos não tiveram efeito na ausência de EHEC. "

p A equipe foi capaz de demonstrar que as diferenças nas lesões desencadeadas por metabólitos do microbioma humano e de camundongo não eram devido a mudanças nas citocinas inflamatórias, diferenças na produção de toxina Shiga, ou alterações na capacidade de EHEC para colonizar o epitélio do cólon. Para se aproximar das verdadeiras causas raízes, eles realizaram análises transcriptômicas, analisar mudanças na expressão gênica nas bactérias EHEC após a exposição aos metabólitos do microbioma humano e de camundongo e análise metabolômica para identificar diferenças na composição química das duas misturas de metabólitos.

p "Os genes que codificam proteínas que atuam na quimiotaxia EHEC e na motilidade flagelar tiveram a pontuação mais alta entre todos os genes especificamente regulados positivamente pelos metabólitos do microbioma humano que pareciam aumentar a patogenicidade, e, Interessantemente, descobrimos que as bactérias EHEC expostas aos metabólitos do microbioma humano eram muito mais móveis, "disse Tovaglieri. Flagelos são apêndices complexos e delgados que muitas bactérias usam como motores para se moverem em direção a fontes de alimentos (quimiotaxia).

p Dos 426 metabólitos que estavam presentes em níveis diferentes nas duas misturas de metabólitos, uma combinação de quatro metabólitos do microbioma humano, que todos estavam elevados em comparação com seus níveis no microbioma de camundongo, foi suficiente para aumentar a motilidade EHEC em um prato. Mais importante, eles também foram suficientes para converter a mistura de metabólitos do microbioma de camundongo normalmente inócua em uma que facilite o dano ao tecido do cólon no dispositivo de chip de cólon humano, tornando-o tão eficaz quanto os metabólitos do microbioma humano. Alguns desses mesmos metabólitos são encontrados em níveis muito mais elevados em crianças, que também são mais sensíveis à infecção por EHEC.

p "Este trabalho descobriu potenciais alvos moleculares que poderiam ajudar a aliviar o sofrimento em pacientes com EHEC se pudéssemos desenvolver maneiras de suprimir sua produção ou aumentar sua remoção em humanos. A mesma abordagem de chip de órgão humano combinada com metabolômica poderia ajudar a identificar outros metabólitos que medeiam efeitos protetores e aumentam a tolerância a outras infecções no futuro. Também pode nos ajudar a obter mais informações sobre por que certos indivíduos são sensíveis a infecções enquanto outros são tolerantes, "disse Ingber.

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