Humane mikrobiometabolitter forbedrer tyktarmskader af enterohemorrhagisk E. coli,

undersøgelse viser Det er stadig mystisk, hvorfor mennesker relativt let smittes af nogle bakterielle eller virale patogener, mens dyr, der har meget lignende væv og immunfunktioner, ikke gør det. Denne kløft er også grunden til, at forskere ofte står over for problemer i deres bestræbelser på at modellere patogene sygdomme i dyremodeller, såsom mus, og hvorfor medicin udviklet ved hjælp af denne tilgang ofte mislykkes hos mennesker.

Et slående eksempel på artsspecifikke forskelle i tolerance over for infektion kan ses i reaktionen på enterohemorrhagic E coli (EHEC) bakterier, som er ansvarlige for mere end 100, 000 infektioner om året alene i USA, og årsagen til blodig diarré (rejsediarré), colitis og hæmolytisk uræmisk syndrom (HUS) - en alvorlig tilstand, der får nyrerne til at svigte, efter at de støder på EHECs Shiga -toksin. I årevis har det været kendt, at det tager 100, 000 gange større antal patogene EHEC-bakterier til infektion af mus sammenlignet med mennesker, og at mus ikke udvikler symptomer på sygdommen, medmindre dyrene dyrkes under særlige kimfrie forhold, hvor de mangler et normalt kommensalt tarmmikrobiom.

Et tværfagligt team af biologiske ingeniører, mikrobiologer, og systembiologer ved Harvards Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering, der arbejder på instituttets DARPA-understøttede "Technologies for Host Resilience" (THoR) -projekt, hvis mål det er at afdække årsagerne til tolerance over for infektion udvist af visse individer eller arter, er det nu lykkedes at modellere infektion af menneskelig tyktarm med EHEC in vitro ved hjælp af en mikro-flydende Organ-on-a-Chip (Organ Chip) kulturindretning. Overraskende, deres fremgangsmåde muliggjorde identifikation af vigtige forskelle mellem de metabolitter, der produceres af de komplekse samfund af kommensale bakterier, der omfatter mikrobiomet, der er til stede i musen mod menneskelig tyktarm. De fandt ud af, at fire metabolitter, der produceres på højere niveauer af det humane tarmmikrobiom, kan hjælpe med at forklare den øgede følsomhed af menneskelig tyktarm over for EHEC. Undersøgelsen blev offentliggjort i Mikrobiom .

"Vi blev motiveret af iagttagelsen af, at der ofte er enorme forskelle i følsomhed mellem menneske- og musetarm, når de udfordres med det samme patogen, og tidligere arbejde, der har vist, at nogle af disse forskelle i tolerance over for infektion kan forklares med forskelle i tarmmikrobiomet mellem disse arter, "sagde Wyss Institutes grundlægger, Donald Ingber, M.D., Ph.d., der ledede undersøgelsen. "For at angribe dette problem direkte, vi udnyttede vores menneskelige Organ Chip -teknologi og kombinerede den med mikrobielle metabolitter produceret i bioreaktorer, samt metabolomisk analyse, for at få indsigt i det molekylære grundlag for denne artsspecifikke forskel i følsomhed over for EHEC. "Ingber er også Judah Folkman professor i vaskulær biologi ved Harvard Medical School (HMS) og Vascular Biology Program på Boston Children's Hospital, samt professor i bioingeniør ved Harvards John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences.

Fordi EHEC primært inficerer den menneskelige tyktarm, teamet samlede først en kolonchip ved hjælp af sin mikrofluidiske kulturteknologi og udnyttede deres seneste fremskridt med at bruge tarmvævsfragmenter kendt som organoider som mellemprodukter mod dannelsen af ​​et meget funktionelt tarmepitel, der spontant danner fingerlignende fremskrivninger kaldet intestinal villi i enheden. I kolonchippen, tyktarmsepitelet leder en af ​​to parallelle kanaler ("intestinal luminal kanal"), der er adskilt af en porøs membran overtrukket med en ekstracellulær matrix (ECM), som celler fortrinsvis klæber til. Den modsatte kanal ("vaskulær kanal") er foret af menneskelige tarmendotelceller, der efterligner et blodkar, der understøtter og kommunikerer med tyktarmsepitelet.

Teamet testede, om den fulde kompleksitet af opløselige molekyler produceret af komplekse mus- og humane mikrobiotalsamfund dyrket i bioreaktorer, der efterlignede tyktarmsmiljøet, påvirkede EHEC -infektivitet i de humane kolonchips forskelligt. "Det var slående - efter tilsætning af humane mikrobiom -specifikke metabolitter blev det menneskelige tyktarmsepitel hårdt såret med store læsioner, der viste sig, hvor celler døde og løsrev sig fra vævet, mens det samme humane epitel udsat for musemikrobiomspecifikke metabolitter blev meget mindre påvirket, "sagde førsteforfatter Alessio Tovaglieri, som udførte sit kandidatarbejde på Ingbers team som studerende ved ETH Zürich i Schweiz. "Interessant nok, de patogene EHEC -bakterier skadede ikke tyktarmsvævet i fravær af mikrobiometabolitter, og de komplekse metabolitblandinger selv havde ingen effekt i fravær af EHEC. "

Teamet var i stand til at demonstrere, at forskellene i skader forårsaget af mikrobiometabolisme hos mennesker og mus ikke skyldtes ændringer i inflammatoriske cytokiner, forskelle i Shiga -toksinproduktion, eller ændringer i EHECs evne til at kolonisere tyktarmsepitelet. For at komme tættere på de egentlige grundårsager, de udførte transkriptomisk analyse, analyse af ændringer i genekspression i EHEC -bakterierne ved udsættelse for menneskelige og musemikrobiometabolitter og metabolomics -analyse for at identificere forskelle i den kemiske sammensætning af de to metabolitblandinger.

"Gener, der koder for proteiner, der virker i EHEC -kemotaxi og flagellær motilitet, scorede højest blandt alle de gener, der specifikt blev opreguleret af det humane mikrobioms metabolitter, der syntes at forstærke patogenicitet, og, interessant, vi fandt ud af, at EHEC -bakterier udsat for det humane mikrobioms metabolitter var meget mere bevægelige, "sagde Tovaglieri. Flagellae er de komplekse slanke vedhæng, som mange bakterier bruger som motorer til at bevæge sig mod fødekilder (kemotaksi).

Ud af 426 metabolitter, der var til stede på forskellige niveauer i de to metabolitblandinger, en kombination af fire humane mikrobiometabolitter, som alle var forhøjede i forhold til deres niveauer i musemikrobiomet, var tilstrækkelig til at øge EHEC -motiliteten i et fad. Vigtigere, de var også tilstrækkelige til at konvertere den normalt uskadelige musemikrobioms metabolitblanding til en, der letter beskadigelse af tyktarmsvæv i den menneskelige Colon Chip -enhed, gør det lige så effektivt som det humane mikrobioms metabolitter. Nogle af de samme metabolitter findes på meget højere niveauer hos børn, som også vides at være mere følsomme over for EHEC -infektion.

"Dette arbejde har afdækket potentielle molekylære mål, der kan hjælpe med at lindre lidelse hos patienter med EHEC, hvis vi kunne udvikle måder at undertrykke deres produktion eller forbedre deres fjernelse hos mennesker. Den samme menneskelige Organ Chip -tilgang kombineret med metabolomics kan hjælpe med at identificere andre metabolitter, der medierer beskyttende virkninger og øger tolerancen over for andre infektioner i fremtiden. Det kan også hjælpe os med at få yderligere indsigt i, hvorfor visse individer er følsomme over for infektioner, mens andre er tolerante, "sagde Ingber.

• Forskere identificerer en mere effektiv behandling af kræft
• Kombineret immunsuppression kan være effektiv,