Ein neues Gerät zur Modellierung der komplexen Mikrobiomumgebung des menschlichen Darms

Im menschlichen Darm leben mehrere Tausend Bakterienstämme. Einige davon sind mit Krankheiten verbunden, während andere positive Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit haben. Es kann schwierig sein, die genaue Rolle jedes dieser Bakterien herauszufinden. weil viele von ihnen nicht in Laborstudien mit menschlichem Gewebe gezüchtet werden können.

Diese Schwierigkeit ist besonders ausgeprägt für Arten, die nicht in sauerstoffreichen Umgebungen leben können. Jedoch, Die Bio- und Maschinenbauingenieure des MIT haben jetzt ein spezielles Gerät entwickelt, mit dem sie diese sauerstoffintoleranten Bakterien in Gewebe züchten können, das die Auskleidung des Dickdarms repliziert. so dass sie bis zu vier Tage überleben können.

Wir fanden es sehr wichtig, der Community ein Tool beizusteuern, das für diesen Extremfall verwendet werden kann. Wir haben gezeigt, dass Sie diese sehr anspruchsvollen Organismen züchten können, und wir konnten ihre Auswirkungen auf den menschlichen Dickdarm untersuchen."

Linda Griffith, School of Engineering Professor für Lehrinnovation am Department of Biological Engineering des MIT

Mit diesem System, die Forscher zeigten, dass sie einen Bakterienstamm namens Faecalibacterium prausnitzii züchten konnten. die im menschlichen Darm lebt und vor Entzündungen schützt. Sie zeigten auch, dass diese Bakterien, die bei Patienten mit Morbus Crohn oft vermindert sind, scheinen viele ihrer schützenden Wirkungen durch die Freisetzung einer Fettsäure namens Butyrat auszuüben.

Griffith und David Trumper, ein MIT-Professor für Maschinenbau, sind die leitenden Autoren der Studie, die heute in der Zeitschrift erscheint Med . Die MIT-Postdocs Jianbo Zhang und Yu-Ja Huang sind die Hauptautoren des Papiers.

Sauerstoffempfindlichkeit

Die komplexe Mikrobiomumgebung des menschlichen Darms ist mit Tieren wie Mäusen, zum Teil, weil Mäuse eine ganz andere Ernährung haben als Menschen, sagt Griffith.

"Wir haben viel von Mäusen und anderen Tiermodellen gelernt, aber es gibt viele unterschiede, vor allem, wenn es um das Darmmikrobiom geht, " Sie sagt.

Die meisten Bakterien, die im menschlichen Darm leben, sind anaerob, Das bedeutet, dass sie zum Überleben keinen Sauerstoff benötigen. Einige dieser Bakterien vertragen niedrige Sauerstoffkonzentrationen, während andere, wie zum Beispiel F. prausnitzii , kann Sauerstoffexposition nicht überleben, was es schwierig macht, sie in einem Labor zu untersuchen. Einige Forscher haben Geräte entwickelt, in denen sie menschliche Dickdarmzellen zusammen mit Bakterien züchten können, die niedrige Sauerstoffkonzentrationen vertragen. aber diese funktionieren nicht gut für F. prausnitzii und andere stark sauerstoffintolerante Mikroben.

Um dies zu überwinden, Das MIT-Team hat ein Gerät entwickelt, das es ihnen ermöglicht, den Sauerstoffgehalt in jedem Teil des Systems genau zu kontrollieren. Ihr Gerät enthält einen Kanal, der mit Zellen aus der menschlichen Schleimhautbarriere des Dickdarms beschichtet ist. Unter diesen Zellen Nährstoffe werden eingepumpt, um die Zellen am Leben zu erhalten. Diese untere Schicht ist sauerstoffreich, aber die Sauerstoffkonzentration nimmt zum oberen Rand der Schleimhautzellschicht ab, ähnlich wie im Inneren des menschlichen Dickdarms.

Genau wie im menschlichen Dickdarm, die Barrierezellen im Kanal sezernieren eine dichte Schleimschicht. Das hat das MIT-Team gezeigt F. prausnitzii können in der äußeren Schicht dieses Schleims Zellwolken bilden und dort bis zu vier Tage überleben, in einer Umgebung, die durch eine darüber strömende Flüssigkeit sauerstofffrei gehalten wird. Diese Flüssigkeit enthält auch Nährstoffe für die Mikroben.

Mit diesem System, das konnten die Forscher zeigen F. prausnitzii beeinflusst die an Entzündungen beteiligten Zellwege. Sie beobachteten, dass die Bakterien eine kurzkettige Fettsäure namens Butyrat produzieren. von denen bereits gezeigt wurde, dass sie Entzündungen reduzieren. Nachdem der Butyratspiegel gestiegen war, die Schleimhautzellen zeigten eine Verringerung der Aktivität eines Stoffwechselwegs namens NF kappa B. Diese Verringerung lindert Entzündungen.

"Gesamt, dieser Weg wurde verkürzt, was wirklich dem ähnelt, was die Menschen beim Menschen gesehen haben, ", sagt Zhang. "Es scheint, dass die Bakterien die Säugetierzellen desensibilisieren, um nicht auf die Gefahren in der äußeren Umgebung zu überreagieren. so wird der Entzündungszustand durch die Bakterien beruhigt."

Patienten mit Morbus Crohn haben oft reduzierte F. prausnitzii , Es wird angenommen, dass das Fehlen dieser Bakterien zu der bei diesen Patienten beobachteten überaktiven Entzündung beiträgt.

Als die Forscher dem System Butyrat hinzufügten, ohne Bakterien, es erzeugte nicht alle Effekte, die sie sahen, wenn die Bakterien vorhanden waren. Dies deutet darauf hin, dass einige der Wirkungen der Bakterien durch andere Mechanismen ausgeübt werden können, z. die die Forscher weiter untersuchen wollen.

Mikroben und Krankheiten

Die Forscher planen auch, ihr System zu verwenden, um zu untersuchen, was passiert, wenn sie andere Bakterienarten hinzufügen, von denen angenommen wird, dass sie bei Morbus Crohn eine Rolle spielen. zu versuchen, die Auswirkungen der einzelnen Arten weiter zu erforschen.

Sie planen auch eine Studie, Zusammenarbeit mit Alessio Fasano, der Abteilungsleiter für pädiatrische Gastroenterologie und Ernährung am Massachusetts General Hospital, um Schleimhautgewebe von Patienten mit Zöliakie und anderen Magen-Darm-Erkrankungen zu züchten. Dieses Gewebe könnte dann verwendet werden, um mikrobeninduzierte Entzündungen in Zellen mit unterschiedlichem genetischen Hintergrund zu untersuchen.

„Wir erhoffen uns neue Daten, die zeigen, wie die Mikroben und die Entzündung mit dem genetischen Hintergrund des Wirts zusammenwirken. um zu sehen, ob es Menschen geben könnte, bei denen eine genetische Anfälligkeit dafür besteht, dass Mikroben die Schleimhautbarriere etwas stärker beeinträchtigen als andere Menschen, ", sagt Griffith.

Sie hofft, das Gerät auch verwenden zu können, um andere Arten von Schleimhautbarrieren zu untersuchen, einschließlich der der weiblichen Fortpflanzungsorgane, wie der Gebärmutterhals und das Endometrium.

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