Genetiskt konstruerat levande hydrogelmaterial underlättar tarmläkning

Omkring 1,6 miljoner människor i USA ensam har för närvarande livslång och obotlig inflammatorisk tarmsjukdom (IBD) inklusive Crohns sjukdom och ulcerös kolit, och 70, 000 nya fall diagnostiseras i USA varje år. IBD -patienter lider av smärta, extremt obehag, och många andra symtom som orsakas av kontinuerliga återfall och remitterande inflammatoriska skador i cellskiktet som täcker tarmlumen (slemhinnan). De exakta orsakerna till IBD är fortfarande dåligt förstådda, men det är klart att ett felriktat immunsystem fungerar, och att vissa komponenter i det mikrobiella samhället i vår tarm, känd som tarmmikrobiomen, och miljöfaktorer bidrar till dess destruktiva krafter.

Medan antiinflammatoriska läkemedel kan dämpa akut inflammation och antibiotika kan bekämpa lokala infektioner när IBD-episoder blossar upp, deras användning kostar också. Antiinflammatoriska läkemedel kan ha allvarliga biverkningar och antibiotika kan störa de fördelaktiga delarna av mikrobiomet som vi är beroende av för många av kroppens funktioner. Viktigt, det finns inga sårbehandlingar tillgängliga som kan appliceras på inflammerade lesioner direkt inifrån tarmlumen för att påskynda läkningsprocessen och minimera användningen av dessa läkemedel.

Nu, ett forskargrupp vid Harvards Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering under ledning av Neel Joshi, Ph.D., har utvecklat en metod för levande material som använder en stam av genetiskt manipulerade E.coli Nissle tarmbakterier som ett lokalt verkande probiotikum. De konstruerade bakterierna producerar ett nätverk av nanofibrer som direkt binder till slem för att fylla inflammerade områden som en lapp, skyddar dem från tarmmikrober och miljöfaktorer. Denna probiotiskt baserade terapeutiska strategi skyddade möss mot effekterna av kolit inducerad av ett kemiskt medel och främjade slemhinneläkning. Deras resultat rapporteras i Naturkommunikation .

"Med detta" levande terapeutiska "tillvägagångssätt, vi skapade multivalenta biomaterial som utsöndras av bosatta konstruerade bakterier på plats och fäster vid många slemproteiner åt gången - fast vidhäftande till det viskösa och annars rörliga slemskiktet, vilket är en utmanande sak att göra, "sade Joshi." Metoden 'Probiotic Associated Therapeutic Curli Hybrids' (PATCH), som vi kallade det, skapar en biokompatibel, slemhäftande beläggning som fungerar som en stabil, självregenererande BAND-AID® och ger biologiska ledtrådar för slemhinneläkning. "Joshi är för närvarande en ledande fakultetsmedlem vid Wyss Institute och docent vid Harvards Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), och kommer snart att utses till professor vid Northeastern University i Boston.

I tidigare arbeten, Joshis grupp har visat att självregenererande bakteriella hydrogeler sitter fast vid slemhinnans ytor ex vivo, och, när de ges oralt till möss, tål det hårda pH och matsmältningsförhållandena i magen och tunntarmen utan att påverka djurens hälsa. För att tillverka dem, hans team programmerade en laboratorium E. coli -stam för att syntetisera och utsöndra ett modifierat CsgA -protein, som som en del av E. colis "curli" -system samlas i långa nanofibrer vid bakteriens yttre yta. "För att möjliggöra slemhäftning, vi fusionerade CsgA till slembindande domän för olika mänskliga trefoilfaktorer (TFF), proteiner som förekommer naturligt i tarmslemhinnan och binder till muciner, de viktigaste slemproteinerna som finns där. De utsöndrade fusionsproteinerna bildar ett vattenlagringsnät med avstämbara hydrogelegenskaper, "sa medförfattaren Anna Duraj-Thatte, Ph.D., en postdoktor som arbetar med Joshi. "Detta visade sig vara en enkel och robust strategi för att producera självförnyelse, slemhäftande material med lång uppehållstid i musens tarmkanal. "

I deras nya studie, laget byggde vidare på dessa fynd genom att introducera maskiner för att producera en av de slemhäftande hydrogelerna baserade på TFF3 i en E. coli Nissle -stam som är en normal tarmbakterie som kan frodas i tjocktarmen och tarmtarmarna i tarmkanalen som påverkas av IBD , och säljs för närvarande i många kommersiella probiotiska formuleringar. "Vi fann att de nyutvecklade Nissle -bakterierna, när det ges oralt, befolkas och bor i tarmkanalen, och att deras curli -fibrer integreras med tarmslemskiktet, "sade författaren Pichet Praveschotinunt, som är en doktorand mentor av Joshi.

När vi inducerade kolit i kolonens möss genom oralt administrering av det kemiska dextrannatriumsulfatet, djur som hade fått den PATCH-alstrande E. coli Nissle-stammen genom daglig rektal administrering med start tre dagar före kemisk behandling, hade betydligt snabbare läkning och lägre inflammatoriska svar, vilket fick dem att gå ner mycket mindre i vikt och återhämta sig snabbare jämfört med kontrolldjur. Deras kolonepitelslemhinna uppvisade en mer normal morfologi och lägre antal infiltrerande immunceller.

Författaren Pichet Praveschotinunt

Joshi och hans team tror att deras tillvägagångssätt kan utvecklas som en kompletterande terapi mot befintlig antiinflammatorisk, immunsuppressiv, och antibiotikabehandlingar för att minimera patienternas exponering för läkemedlen och eventuellt ge skydd mot IBD -återfall.

Detta kraftfulla och enkla tillvägagångssätt kan potentiellt påverka livet för tusentals patienter med IBD för vilka det inte finns något sjukdomsspecifikt botemedel. Det är också ett bevis på kreativiteten och visionen från Wyss -institutets initiativ "Living Cellular Devices" som konstruerar levande celler för att utföra viktiga terapeutiska och diagnostiska uppgifter i våra kroppar.

Wyss Institute grundande direktör Donald Ingber, M.D., Ph.D., som också är Judah Folkman professor i vaskulär biologi vid HMS, Vaskulärbiologiprogrammet vid Boston Children's Hospital, och professor i bioingenjör vid SEAS

• PENTAX Medical samlar in $ 125,
• Reoperationsprogram för äldre vuxna leder till bättre resultat