Ny menneskelig kolon-på-en-chip muliggør in vitro undersøgelse af slimfysiologi

Vi har et mutualistisk, men kompliceret forhold til samlingen af ​​mikrober i vores tarm kendt som tarmmikrobiomet. Dette komplekse bakteriesamfund nedbryder forskellige fødekomponenter, og frigiver næringsstoffer som vitaminer og en overflod af andre faktorer, der styrer funktioner i væv langt ud over tarmkanalen. Imidlertid, det store antal mikrober udgør også en trussel, da de kan udløse betændelse, som menes at være roden til mange tarmsygdomme, herunder inflammatorisk tarmsygdom, strålingsinduceret tarmskade, og nogle kræftformer.

For at tillade optagelse af gavnlige stoffer fra tarmlumen, og samtidig forhindre tarmmikrober i at komme i kontakt med tarmens epitelvævsoverflade, specialiserede celler kaldet bægerceller producerer kontinuerligt slim, det slimede goo-lignende stof, der dækker hele tarmoverfladen. Slim har hidtil været notorisk svært at studere:dets struktur går hurtigt i opløsning i kirurgisk fjernede dele af tarmen, det system, der oftest bruges til at undersøge slim, og intet in vitro-kultursystem har været i stand til at rekonstituere et in vivo-lignende slimlag med den naturlige struktur set i levende tarm uden for menneskekroppen. Tilføjelse til disse vanskeligheder, slim adskiller sig også mellem mennesker og andre arter, forskellige dele af tarmkanalen, og endda forskellige individer.

Nu, med fokus på tyktarmen eller tyktarmen, der huser det største antal kommensale mikrober og har det tykkeste slimlag, et team af vævsingeniører ved Harvards Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering har udviklet en kolon-on-a-chip (Colon Chip) mikrofluidisk kulturindretning foret med patientafledte kolonceller, der spontant akkumulerer et slimlag med tykkelsen, to-lags struktur, og barrierefunktioner, der typisk findes i normal menneskelig tyktarm. Slimhindeoverfladen i deres model reagerer også på den inflammatoriske mediator prostaglandin E2 (PGE2) ved at montere en hurtig hævelse. Deres resultater offentliggøres i Cellulær og molekylær gastroenterologi og hepatologi .

Vores tilgang giver forskere mulighed for at finde svar på spørgsmål om normal og sygdomsrelateret slimbiologi, såsom dets bidrag til tarmbetændelsessygdomme og kræft, og komplekse vært-mikrobiom-interaktioner. Vigtigere, vi bruger patientafledte celler til at linke disse enheder, og dette repræsenterer derfor en helt ny tilgang til personlig medicin, hvor det kan være muligt at studere, hvordan slim fungerer eller dysfunktioner hos en bestemt patient, og til at skræddersy terapien i overensstemmelse hermed. "

Donald Ingber, M.D., Ph.d., Stiftende direktør, seniorforsker på undersøgelsen

Ingber er også Judah Folkman professor i vaskulær biologi ved Harvard Medical School og vaskulærbiologiprogrammet på Boston Children's Hospital, samt professor i bioingeniør ved Harvards John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences. Hans team er en del af et multiinstitutionelt samarbejde støttet af et Cancer Research UK's Grand Challenge-tilskud, hvor hans Wyss-team undersøger, hvordan betændelsesrelaterede ændringer bidrager til dannelse af kræft, herunder tyktarmskræft. The Grand Challenge er et ambitiøst internationalt kræftforskningsinitiativ, støtte verdensførende teams af forskere til at tage nogle af de hårdeste udfordringer inden for kræft, og give dem frihed til at prøve nye tilgange i stor skala.

Teamets tilgang starter med patient-afledte tyktarmsceller fra tyktarmsresektioner og endoskopiske biopsier, der først dyrkes som "organoider", små organiserede kugler af tyktarmsvæv, der hovedsageligt indeholder epitelstamceller. Efter fragmentering af organoiderne, deres celler bruges til at udfylde den øverste af to parallelle kanaler i en mikrofluidisk chip, der er adskilt af en porøs membran. Simpelthen ved kontinuerligt at perfundere kanalerne med næringsmedium, tyktarmsstamcellerne vokser til et kontinuerligt ark og danner meget funktionelle bægerceller, der udskiller slim.

"Dyrkning af cellerne på chip under flow resulterer i, at ca. 15% af epitelcellerne spontant differentieres til bægerceller. Fordelt i hele epitelet, disse producerer et in vivo-lignende slimlag, "sagde førsteforfatter Alexandra Sontheimer-Phelps, en kandidatstuderende fra University of Freiburg, Tyskland, arbejder i Ingbers gruppe. "På samme tid, andre epitelceller, der bliver ved med at dele sig, fylder også Goblet -cellepopulationen ligesom i levende tyktarm, hvilket betyder, at chippen kan opretholdes i steady-state-forhold i mere end to uger, hvilket gør det meget nyttigt til længerevarende undersøgelser. "

Wyss-teamet viste, at tyktarmsepitelet i chippen er fuldt polariseret med tydelige markører begrænset til dets lumen-eksponerede, slimudskillende side og dens modsatte membranbindende side. Dens bægerceller udskiller det store slimprotein mucin 2 (MUC2), som, når de er knyttet til komplekse kæder af sukkermolekyler, samles til multimolekylært netværk eller gel, der optager vand. "Vores fremgangsmåde producerer faktisk den to-lags struktur af normalt tyktarmsslim med et indre tæt lag, som vi viser er uigennemtrængeligt for bakterie-efterlignende partikler, der strømmer gennem tarmkanalen, og et mere løst ydre lag, der tillader partikler at komme ind. Dette er aldrig blevet opnået før in vitro, sagde Sontheimer-Phelps.

For at undersøge slimens funktionalitet, hun og hendes kolleger udsatte chippen for den inflammatoriske mediator PGE2. Slimet undergik hurtig hævelse inden for få minutter og uafhængigt af enhver ny slimudskillelse, og denne proces med slimakkumulering kan visualiseres i levende kulturer ved at se chipsene fra siden med mørk feltbelysning. Denne dynamiske reaktion kunne blokeres ved at hæmme en bestemt ionkanal, som pumper ioner ind i tyktarmsepitelet og passivt tillader vandmolekyler at følge og tilsyneladende, dette driver slimhævelse, når det stimuleres af signaler som PGE2.

Slim har længe været anset for at være en passiv, værtsbarriere, men det bliver stadig mere klart, at mikrobielle arter påvirker dets struktur og funktion ud over at fodre med dets kulhydrater som energikilde. "Vores in vitro -system bringer os et skridt tættere på at finde ud af, hvordan individuelle bakteriearter og mere komplekse mikrobielle samfund kan påvirke slim og omvendt, samt hvordan dette komplekse samspil påvirker udviklingen af ​​tarmsygdomme. Vi har også nu et testbed for at opdage nye terapeutiske lægemidler og probiotiske strategier, der kan forhindre eller vende disse sygdomme, "sagde Ingber.

• Spise fuld frugt kunne reducere blodtrykket for både mænd og kvinder
• Ny model for sen debut sepsis undersøger potentielle behandlinger for neonatal infektion