Konstrueret mus Intestine Chip-platform til mus kan hjælpe med at studere vært-mikrobiom-interaktioner

Billioner af kommensale mikrober lever på slimhinde- og epidermale overflader af kroppen, og det er fastslået, at dette mikrobiom påvirker værts tolerance og følsomhed for værten over for en række forskellige patogener.

Imidlertid, værtstolerance over for infektion med patogener er ikke lige udviklet i alle organismer. For eksempel, det vides, at tarmmikrobiomet hos mus beskytter mere effektivt mod infektion med visse patogener, såsom bakterien Salmonella typhimurium, end det humane tarmmikrobiom.

Dette øger den interessante mulighed, at analyse af forskelle mellem vært-mikrobiom-interaktioner hos mennesker og andre arter, såsom mus, og udpege individuelle typer bakterier, der enten beskytter eller sensibiliserer mod visse patogener, kunne føre til helt nye former for terapeutiske tilgange.

Imidlertid, mens tarmmikrobiomsammensætningen og dens virkning på værtsimmunresponser er blevet godt undersøgt hos mus, det er ikke muligt at undersøge, hvordan mikrobiomet interagerer direkte med epitelcellerne i tarmen under meget definerede betingelser, og derved afdække specifikke bakteriestammer, der kan inducere værtstolerance over for infektiøse patogener.

Nu, et samarbejdesteam ledet af Wyss Founding Director Donald Ingber, M.D., Ph.d. ved Harvards Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering og Dennis Kasper, MD ved Harvard Medical School (HMS) har udnyttet Wyss's microfluidic Organs-on-Chip (Organ Chip) teknologi til at modellere de forskellige anatomiske sektioner af musetarmen og deres symbiose med et komplekst levende mikrobiom in vitro.

Forskerne rekapitulerede de destruktive virkninger af S. typhimurium på tarmens epiteloverflade i en manipuleret Colon Colon Chip, og i en komparativ analyse af mus og humane mikrobiomer var i stand til at bekræfte den kommensale bakterie Enterococcus faecium bidrager til værtstolerance over for S. typhimurium -infektion. Undersøgelsen er offentliggjort i Grænser i cellulær og infektionsmikrobiologi .

Projektet blev startet under et DARPA-understøttet "Technologies for Host Resilience" (THoR) projekt på Wyss Institute, hvis mål det var at afdække centrale bidrag til tolerance over for infektion ved at studere forskelle observeret i visse dyrearter og mennesker. Ved hjælp af en menneskelig kolonchip, Ingbers gruppe havde i en tidligere undersøgelse vist, hvordan metabolitter produceret af mikrober afledt fra mus og menneskelig afføring har forskellige muligheder for at påvirke modtagelighed for infektion med et enterohemorrhagisk E. coli -patogen.

Biomedicinsk forskning afhænger stærkt af dyremodeller som mus, som uden tvivl har enorme fordele, men giver ikke mulighed for at studere normale og patologiske processer inden for et bestemt organ, såsom tarmen, nærbillede og i realtid. Denne vigtige proof-of-concept undersøgelse med Dennis Kaspers gruppe fremhæver, at vores manipulerede mus Intestine Chip-platform tilbyder præcis denne kapacitet og giver mulighed for at studere vært-mikrobiom-interaktioner med mikrobiomer fra forskellige arter under meget kontrollerbare forhold in vitro . "

Donald Ingber, M.D, Ph.D, Stiftende direktør, Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering ved Harvard

"I betragtning af den dybe karakterisering af musimmunologi, denne evne kan i høj grad bidrage til at fremme arbejdet hos forskere, der i øjeblikket bruger disse dyr til at forske i mikrobiom og værtresponser. Det gør dem i stand til at sammenligne deres resultater, de opnår direkte med menneskelige tarmchips i fremtiden, så fokus kan være på at identificere træk ved værtsrespons, der er mest relevante for mennesker. "Ingber er også Judah Folkman -professor i vaskulærbiologi ved HMS og Boston Children's Hospital, og professor i bioingeniør ved Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences.

Design en mus Intestine-on-Chip platform

I deres nye undersøgelse, holdet fokuserede på musens tarmkanal. "Det har traditionelt været ekstremt svært at modellere vært-mikrobiom-interaktioner uden for enhver organisme, da mange bakterier er strengt anaerobe og dør under normale atmosfæriske iltforhold. Organ Chip-teknologi kan genskabe disse forhold, og det er meget lettere at skaffe primære tarm- og immunceller fra mus end at skulle stole på menneskelige biopsier, "sagde førsteforfatter Francesca Gazzaniga, Ph.d., en postdoktor, der arbejder mellem Ingbers og Kaspers grupper og står i spidsen for projektet.

Gazzaniga og hendes kolleger isolerede tarmkrypter fra forskellige områder af musens tarmkanal, herunder tolvfingertarmen, jejunum, ileum, og tyktarm, tog deres celler gennem et mellemliggende "organoid" trin i kulturen, hvor små vævsfragmenter dannes og vokser, som de derefter podede i en af ​​to parallelle mikrofluidisk perfunderede kanaler i Wyss 'Organ Chips for at skabe regionsspecifikke Intestine Chips.

Den anden uafhængigt perfunderede kanal efterligner blodkarret, og er adskilt fra den første af en porøs membran, der tillader udveksling af næringsstoffer, metabolitter, og udskillede molekyler, som tarmepitelceller bruger til at kommunikere med vaskulære og immunceller.

Hjem på patogenet

Holdet finpudrede derefter S. typhimurium som et patogen. Først, de introducerede patogenet i epitelelumen i den manipulerede Colon Colon Chip og rekapitulerede de vigtigste funktioner i forbindelse med nedbrydning af tarmvævsintegritet kendt fra musestudier, herunder afbrydelse af normalt tætte adhæsioner mellem nabopithelceller, nedsat produktion af slim, en stigning i udskillelsen af ​​et vigtigt inflammatorisk kemokin (musens homolog for human IL-8), og ændringer i epitelgenekspression. Parallelt, de viste, at Colon Colon Chip understøttede vækst og levedygtighed af komplekse bakteriekonsortier, der normalt findes i mus og humane tarmmikrobiomer.

At sætte disse muligheder sammen forskerne sammenlignede virkningerne af specifikke mus- og humane mikrobielle konsortier, der tidligere var blevet holdt stabilt i tarmen på 'gnotobiotiske' mus, der var anbragt i bakteriefri forhold af Kasper-teamet. Ved at indsamle komplekse mikrobiomer fra afføringen af ​​disse mus, og derefter inokulere dem i kolonchipsene, forskerne observerede chip-til-chip-variation i konsortiesammensætning, hvilket gjorde dem i stand til at relatere mikrobesammensætning til funktionelle effekter på værtsepitelet.

"Brug af sekvensering i 16'erne gav os en god fornemmelse af de to konsortiers mikrobielle sammensætninger, og et stort antal af en enkelt art, Enterococcus faecium, genereret af kun en af ​​dem i Colon Chip, tillod tarmvævet bedre at tolerere infektionen, "sagde Gazzaniga." Dette bekræftede pænt tidligere resultater og validerede vores tilgang som en ny opdagelsesplatform, som vi nu kan bruge til at undersøge de mekanismer, der ligger til grund for disse effekter, samt bidraget fra vitale immuncellebidrag til værtstolerance, såvel som infektiøse processer, der involverer andre patogener. "

"Musetarmen på en chipteknologi giver en unik tilgang til at forstå forholdet mellem tarmmikrobiota, vært immunitet, og et mikrobielt patogen. Denne vigtige indbyrdes relation er udfordrende at studere hos det levende dyr, fordi der er så mange ukontrollerbare faktorer.

Skønheden ved dette system er, at stort set alle parametre, du ønsker at studere, kan kontrolleres og let kan overvåges. Dette system er et meget nyttigt skridt fremad, sagde Kasper, hvem er William Ellery Channing professor i medicin og professor i immunologi ved HMS.

Forskerne mener, at deres sammenlignende in vitro-tilgang kunne afdække specifik krydstale mellem patogener og kommensale bakterier med tarmepitel- og immunceller, og at identificerede toleranceforstærkende bakterier kunne bruges i fremtidige behandlinger, hvilket kan omgå problemet og øge antimikrobiel resistens af patogene bakteriestammer.

• Mikrobiotamodulation og genetablering af eubiose kan hjælpe med at dæmme op for COVID-19-komplikationer
• Tilfældige cellulære ændringer spiller en afgørende rolle i levetiden ud over genetik og miljø