Inženirska platforma za črevesni čip miške lahko pomaga preučiti interakcije gostitelja in mikrobioma

Milijoni komenzalnih mikrobov živijo na sluznici in povrhnjici telesa in trdno je ugotovljeno, da ta mikrobiom vpliva na toleranco gostitelja in občutljivost gostitelja na različne patogene.

Vendar pa Toleranca gostitelja do okužbe s patogeni ni enako razvita pri vseh organizmih. Na primer, znano je, da črevesni mikrobiom miši učinkoviteje ščiti pred okužbo z določenimi patogeni, kot je bakterija Salmonella typhimurium, kot črevesni črevesni mikrobiom.

To odpira zanimivo možnost, da analiza razlik med interakcijami gostitelj-mikrobiom pri ljudeh in drugih vrstah, kot so miši, in določanje posameznih vrst bakterij, ki bodisi ščitijo bodisi preobčutljive za določene patogene, bi lahko privedlo do povsem novih vrst terapevtskih pristopov.

Vendar pa medtem ko so sestavo črevesnega mikrobioma in njegov učinek na imunski odziv gostitelja dobro raziskali pri miših, ni mogoče preučiti, kako mikrobiom v zelo določenih pogojih neposredno vpliva na epitelne celice, ki obdajajo črevo, in s tem odkriti posebne bakterijske seve, ki lahko povzročijo toleranco gostitelja na nalezljive patogene.

Zdaj, sodelujoča ekipa, ki jo vodi ustanovni direktor Wyss Donald Ingber, M.D., Dr. na Harvard's Wyss Institute for Biological Inspired Engineering in Dennis Kasper, MD na Harvardski medicinski šoli (HMS) je uporabil Wyssovo tehnologijo mikrofluidnih organov na čipu (Organ Chip) za modeliranje različnih anatomskih odsekov črevesja miši in njihove simbioze s kompleksnim živim mikrobiomom in vitro.

Raziskovalci so povzeli uničujoče učinke S. typhimurium na površino črevesnega epitelija v inženirski mišji črevesni čip, in v primerjalni analizi mišičih in človeških mikrobiomov je bilo mogoče potrditi, da komenzalna bakterija Enterococcus faecium prispeva k odpornosti gostitelja na okužbo s S. typhimurium. Študija je objavljena leta Meje v celični in infekcijski mikrobiologiji .

Projekt se je začel v okviru projekta "Tehnologije za odpornost gostitelja" (THoR), ki ga podpira DARPA na Inštitutu Wyss, katerega cilj je bil odkriti ključne prispevke k toleranci na okužbo s preučevanjem razlik, opaženih pri nekaterih živalskih vrstah in ljudeh. Z uporabo človeškega črevesnega črevesja, Ingberjeva skupina je v prejšnji študiji pokazala, da imajo presnovki, ki jih proizvajajo mikrobi, pridobljeni iz miši in človeškega blata, različne možnosti, da vplivajo na dovzetnost za okužbo z enterohemoragičnim patogenom E. coli.

Biomedicinske raziskave so močno odvisne od živalskih modelov, kot so miši, ki imajo nedvomno ogromne koristi, vendar ne ponujajo možnosti za preučevanje normalnih in patoloških procesov v določenem organu, na primer črevesje, od blizu in v realnem času. Ta pomembna študija dokazovanja koncepta s skupino Dennisa Kasperja poudarja, da naša inženirska platforma za črevesne črevesne miške ponuja ravno to zmožnost in ponuja možnost preučevanja interakcij gostitelj-mikrobiom z mikrobiomi različnih vrst v zelo nadzorovanih pogojih in vitro. . "

Donald Ingber, M.D., Doktor znanosti, Ustanovni direktor, Wyssov inštitut za biološko navdihnjen inženiring na Harvardu

"Glede na globoko karakterizacijo imunske miši, ta sposobnost bi lahko močno pripomogla k napredku dela raziskovalcev, ki trenutno uporabljajo te živali za raziskovanje odzivov mikrobiomov in gostiteljev. Omogoča jim primerjavo njihovih rezultatov, ki jih bodo v prihodnosti pridobili neposredno s črevesnimi črevesnimi črevesji, tako da se bodo lahko osredotočili na prepoznavanje značilnosti odziva gostitelja, ki so najpomembnejše za ljudi. "Ingber je tudi profesor Judah Folkman za vaskularno biologijo na HMS in Bostonska otroška bolnišnica, in profesor bioinženiringa na Harvardski šoli za inženiring in uporabne znanosti John A. Paulson.

Inženiring mišje platforme Intestine-on-Chip

V svoji novi študiji so ekipa se je osredotočila na mišji črevesni trakt. "Tradicionalno je bilo zelo težko modelirati interakcije gostitelja in mikrobioma zunaj katerega koli organizma, saj so številne bakterije strogo anaerobne in umrejo v normalnih atmosferskih razmerah s kisikom. Tehnologija Organ Chip lahko te pogoje poustvari, veliko lažje je pridobiti primarne črevesne in imunske celice pri miših, kot pa se zanašati na človeške biopsije, "je dejala prva avtorica Francesca Gazzaniga, Doktor znanosti, podoktorski sodelavec, ki dela med Ingberjevo in Kasperjevo skupino in je vodil projekt.

Gazzaniga in njeni sodelavci so izolirali črevesne kripte iz različnih regij mišjega črevesnega trakta, vključno z dvanajstnikom; jejunum, ileum, in debelo črevo, so svoje celice opravile skozi vmesni "organoidni" korak v kulturi, v katerem se tvorijo in rastejo majhni fragmenti tkiva, ki so jih nato posejali v enega od dveh vzporednih mikrofluidno perfuziranih kanalov Wyssovih organskih čipov, da bi ustvarili črevesne žetone, značilne za regijo.

Drugi neodvisno perfuziran kanal posnema krvno ožilje, in je od prve ločena s porozno membrano, ki omogoča izmenjavo hranil, presnovki, in izločene molekule, ki jih črevesne epitelne celice uporabljajo za komunikacijo z vaskularnimi in imunskimi celicami.

Odkrivanje patogena

Ekipa se je nato kot patogen izognila S. typhimurium. Prvič, vnesli so patogen v epitelijski lumen inženirskega miši Colon Chip in povzeli ključne značilnosti, povezane z razgradnjo celovitosti črevesnega tkiva, znane iz študij miši, vključno z motnjami običajno tesnih adhezij med sosednjimi epitelijskimi celicami, zmanjšana proizvodnja sluzi, povečanje izločanja ključnega vnetnega kemokina (mišji homolog človeškega IL-8), in spremembe v izražanju epitelijskih genov. Vzporedno, pokazali so, da mišji črevesni čip podpira rast in sposobnost preživetja kompleksnih bakterijskih konzorcijev, ki so običajno prisotni v mikrobiomih miši in črevesja.

Če združimo te sposobnosti, raziskovalci so primerjali učinke specifičnih mišjih in človeških mikrobnih konzorcijev, ki so bili prej stabilno vzdrževani v črevesju miši "gnotobiotikov", ki jih je ekipa Kasper nastanila v pogojih brez kalčkov. Z zbiranjem kompleksnih mikrobiomov iz blata teh miši, in jih nato cepijo v črevesje debelega črevesa, raziskovalci so opazili variabilnost sestave konzorcija od čipa do čipa, kar jim je omogočilo povezavo sestave mikrobov s funkcionalnimi učinki na gostiteljski epitelij.

"Uporaba zaporedja 16s nam je dala dober občutek o mikrobnih sestavah obeh konzorcijev, in veliko število ene posamezne vrste, Enterococcus faecium, ki jih ustvari le eden od njih v črevesju debelega črevesa, omogočil črevesnemu tkivu, da bolje prenaša okužbo, "je dejal Gazzaniga." To je lepo potrdilo pretekle ugotovitve in potrdilo naš pristop kot novo odkrito platformo, ki jo lahko zdaj uporabimo za raziskovanje mehanizmov, na katerih temeljijo ti učinki, in prispevek vitalnih prispevkov imunskih celic k toleranci gostitelja, pa tudi nalezljive procese, ki vključujejo druge patogene. "

"Mišje črevo s tehnologijo čipov ponuja edinstven pristop za razumevanje odnosa med črevesno mikrobioto, imuniteta gostitelja, in mikrobni patogen. To pomembno medsebojno razmerje je težko izučiti pri živi živali, ker je toliko neobvladljivih dejavnikov.

Lepota tega sistema je, da so v bistvu vsi parametri, ki jih želite preučiti, nadzorovani in jih je mogoče enostavno spremljati. Ta sistem je zelo koristen korak naprej, "je dejal Kasper, ki je profesor medicine William Ellery Channing in profesor imunologije na HMS.

Raziskovalci menijo, da bi njihov primerjalni pristop in vitro lahko odkril specifičen navzkrižni pogovor med patogeni in komenzalnimi bakterijami s črevesnim epitelijem in imunskimi celicami, in da bi lahko identificirane bakterije, ki povečujejo toleranco, uporabili v prihodnjih terapijah, kar bi lahko izognilo problemu, ki povečuje protimikrobno odpornost patogenih sevov bakterij.

• Modulacija mikrobiote in ponovna vzpostavitev eubioze bi lahko pripomogli k zajezitvi zapletov COVID-19
• Naključne celične spremembe igrajo ključno vlogo pri dolgoživosti zunaj genetike in okolja