En ny enhed til modellering af tarmens komplekse mikrobiom -miljø

Flere tusinde bakteriestammer lever i den menneskelige tarm. Nogle af disse er forbundet med sygdom, mens andre har gavnlige virkninger på menneskers sundhed. Det kan være svært at finde ud af den præcise rolle for hver af disse bakterier, fordi mange af dem ikke kan dyrkes i laboratorieundersøgelser ved hjælp af humant væv.

Denne vanskelighed er især udtalt for arter, der ikke kan leve i iltrige miljøer. Imidlertid, MIT biologiske og mekaniske ingeniører har nu designet en specialiseret enhed, hvor de kan dyrke de iltintolerante bakterier i væv, der replikerer foringen af ​​tyktarmen, giver dem mulighed for at overleve i op til fire dage.

Vi syntes, det var virkelig vigtigt at bidrage med et værktøj til samfundet, der kunne bruges til dette ekstreme tilfælde. Vi viste, at du kan dyrke disse meget kræsne organismer, og vi var i stand til at studere de virkninger, de har på den menneskelige tyktarm. "

Linda Griffith, Ingeniørhøjskolen Professor i undervisningsinnovation i MIT's afdeling for biologisk teknik

Ved hjælp af dette system, forskerne viste, at de kunne dyrke en bakteriestamme kaldet Faecalibacterium prausnitzii, som lever i den menneskelige tarm og beskytter mod betændelse. De viste også, at disse bakterier, som ofte reduceres hos patienter med Crohns sygdom, synes at udøve mange af deres beskyttende virkninger gennem frigivelse af en fedtsyre kaldet butyrat.

Griffith og David Trumper, en MIT -professor i maskinteknik, er seniorforfatterne af undersøgelsen, som fremgår i dag i journalen Med . MIT postdocs Jianbo Zhang og Yu-Ja Huang er hovedforfattere af papiret.

Iltfølsomhed

Den menneskelige tarms komplekse mikrobiom -miljø er svært at modellere ved hjælp af dyr som mus, dels fordi mus spiser en meget anderledes kost end mennesker, Siger Griffith.

"Vi har lært enormt meget af mus og andre dyremodeller, men der er mange forskelle, især når det kommer til tarmmikrobiomet, " hun siger.

De fleste af de bakterier, der lever i den menneskelige tarm, er anaerobe, hvilket betyder, at de ikke kræver ilt for at overleve. Nogle af disse bakterier kan tåle lave iltniveauer, mens andre, såsom F. prausnitzii , kan ikke overleve ilteksponering, hvilket gør det svært at studere dem i et laboratorium. Nogle forskere har designet enheder, hvor de kan dyrke humane tyktarmsceller sammen med bakterier, der tåler lave iltniveauer, men disse fungerer ikke godt til F. prausnitzii og andre meget iltintolerante mikrober.

For at overvinde dette, MIT -teamet designede en enhed, der giver dem mulighed for præcist at kontrollere iltindholdet i hver del af systemet. Deres enhed indeholder en kanal, der er belagt med celler fra den menneskelige slimhindebarriere i tyktarmen. Under disse celler, næringsstoffer pumpes ind for at holde cellerne i live. Dette bundlag er iltrigt, men koncentrationen af ​​ilt falder mod toppen af ​​slimhindecellelaget, på samme måde som hvad der sker i det indre af den menneskelige tyktarm.

Ligesom de gør i den menneskelige tyktarm, barrierecellerne i kanalen udskiller et tæt lag slim. Det viste MIT -teamet F. prausnitzii kan danne skyer af celler i det ydre lag af dette slim og overleve der i op til fire dage, i et miljø, der holdes iltfrit ved at væske strømmer hen over det. Denne væske indeholder også næringsstoffer til mikroberne.

Ved hjælp af dette system, det kunne forskerne vise F. prausnitzii påvirker celleveje involveret i betændelse. De observerede, at bakterierne producerer en kortkædet fedtsyre kaldet butyrat, som tidligere har vist sig at reducere betændelse. Efter at butyratniveauet steg, slimhindecellerne viste en reduktion i aktiviteten af ​​en vej kaldet NF kappa B. Denne reduktion dæmper betændelse.

"Samlet set, denne vej er blevet reduceret, som virkelig ligner, hvad folk har set hos mennesker, "Zhang siger." Det ser ud til, at bakterierne desensibiliserer pattedyrscellerne for ikke at overreagere til farerne i det ydre miljø, så betændelsesstatus bliver roet ned af bakterierne. "

Patienter med Crohns sygdom har ofte reducerede niveauer af F. prausnitzii , og manglen på disse bakterier antages at bidrage til den overaktive betændelse, der ses hos disse patienter.

Da forskerne tilføjede butyrat til systemet, uden bakterier, det genererede ikke alle de effekter, de så, da bakterierne var til stede. Dette tyder på, at nogle af bakteriernes virkninger kan udøves gennem andre mekanismer, som forskerne håber at undersøge nærmere.

Mikrober og sygdomme

Forskerne planlægger også at bruge deres system til at studere, hvad der sker, når de tilføjer andre bakteriearter, der menes at spille en rolle i Crohns sygdom, at forsøge at undersøge virkningerne af hver art yderligere.

De planlægger også et studie, arbejder med Alessio Fasano, divisionschef for pædiatrisk gastroenterologi og ernæring på Massachusetts General Hospital, at dyrke slimhindevæv fra patienter med cøliaki og andre gastrointestinale lidelser. Dette væv kan derefter bruges til at studere mikrobeinduceret inflammation i celler med forskellige genetiske baggrunde.

"Vi håber at få nye data, der viser, hvordan mikroberne og betændelsen virker med værtens genetiske baggrund, for at se, om der kunne være mennesker, der har en genetisk modtagelighed for at få mikrober til at forstyrre slimhindebarrieren lidt mere end andre mennesker, "Siger Griffith.

Hun håber også at kunne bruge enheden til at studere andre typer af slimhindebarrierer, herunder kvindelige reproduktive kanaler såsom livmoderhalsen og endometrium.

• Undersøgelse finder tegn på tarmdysbiose hos mennesker med Huntingtons sygdom
• Undersøgelse undersøger specifikke risici for mavekræft blandt etniske befolkninger