Neuer humaner Colon-on-a-Chip ermöglicht In-vitro-Untersuchung der Schleimphysiologie

Wir haben eine wechselseitige, aber komplizierte Beziehung zu der Ansammlung von Mikroben in unserem Darm, die als Darmmikrobiom bekannt ist. Diese komplexe Bakteriengemeinschaft baut verschiedene Nahrungsbestandteile ab, und setzt Nährstoffe wie Vitamine und eine Vielzahl anderer Faktoren frei, die die Funktionen in Geweben weit über den Darmtrakt hinaus steuern. Jedoch, auch die schiere Anzahl von Mikroben stellt eine Bedrohung dar, da sie Entzündungen auslösen können, die als Ursache vieler Darmerkrankungen gilt, einschließlich entzündlicher Darmerkrankungen, strahleninduzierte Darmschädigung, und einige Krebsarten.

Um die Aufnahme von nützlichen Substanzen aus dem Darmlumen zu ermöglichen, und gleichzeitig verhindern, dass Darmmikroben mit der Darmepithelgewebeoberfläche in Kontakt kommen, spezialisierte Zellen, die Becherzellen genannt werden, produzieren kontinuierlich Schleim, die schleimige, klebrige Substanz, die die gesamte Darmoberfläche bedeckt. Schleim war bisher bekanntermaßen schwer zu untersuchen:Seine Struktur zerfällt schnell in chirurgisch entfernten Darmabschnitten, das am häufigsten verwendete System zur Untersuchung von Schleim, und kein In-vitro-Kultursystem war in der Lage, eine in-vivo-ähnliche Schleimschicht mit der natürlichen Struktur zu rekonstituieren, die in einem lebenden Darm außerhalb des menschlichen Körpers zu sehen ist. Zusätzlich zu diesen Schwierigkeiten Schleim unterscheidet sich auch zwischen Menschen und anderen Arten, verschiedene Abschnitte des Darmtraktes, und sogar verschiedene Personen.

Jetzt, Fokussierung auf den Dickdarm oder Dickdarm, der die meisten kommensalen Mikroben beherbergt und die dickste Schleimschicht aufweist, ein Team von Gewebeingenieuren am Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering in Harvard hat ein Colon-on-a-Chip (Colon Chip)-Mikrofluidik-Kulturgerät entwickelt, das mit von Patienten stammenden Dickdarmzellen ausgekleidet ist und spontan eine Schleimschicht mit der Dicke ansammelt, zweischichtiger Aufbau, und Barrierefunktionen, die typischerweise im normalen menschlichen Dickdarm gefunden werden. Die Schleimhautoberfläche in ihrem Modell reagiert auch auf den Entzündungsmediator Prostaglandin E2 (PGE2) mit einer schnellen Schwellungsreaktion. Ihre Ergebnisse werden veröffentlicht in Zelluläre und molekulare Gastroenterologie und Hepatologie .

Unser Ansatz bietet Forschern die Möglichkeit, Antworten auf Fragen zur normalen und krankheitsassoziierten Schleimbiologie zu finden, wie seine Beiträge zu entzündlichen Darmerkrankungen und Krebs, und komplexe Wirt-Mikrobiom-Interaktionen. Wichtig, Wir verwenden von Patienten stammende Zellen, um diese Geräte auszukleiden. Dies stellt einen völlig neuen Ansatz für die personalisierte Medizin dar, bei dem es möglich sein kann, zu untersuchen, wie Schleim bei einem bestimmten Patienten funktioniert oder Fehlfunktionen aufweist. und die Therapie entsprechend anzupassen."

Donald Ingber, M. D., Ph.D., Gründungsdirektor, leitender Prüfarzt der Studie

Ingber ist auch Judah Folkman Professor of Vascular Biology an der Harvard Medical School und das Vascular Biology Program am Boston Children's Hospital. sowie Professor für Bioengineering an der John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences in Harvard. Sein Team ist Teil einer multiinstitutionellen Zusammenarbeit, die durch ein Grand Challenge-Stipendium von Cancer Research UK unterstützt wird, in dem sein Wyss-Team untersucht, wie entzündungsbedingte Veränderungen zur Entstehung von Krebs beitragen. einschließlich Darmkrebs. Die Grand Challenge ist eine ambitionierte internationale Krebsforschungsinitiative, Unterstützung weltweit führender Wissenschaftlerteams bei der Bewältigung einiger der schwierigsten Herausforderungen im Bereich Krebs, und ihnen die Freiheit zu geben, neue Ansätze in großem Maßstab auszuprobieren.

Der Ansatz des Teams beginnt mit von Patienten stammenden Dickdarmzellen aus Dickdarmresektionen und endoskopischen Biopsien, die zunächst als "Organoide" gezüchtet werden, winzige, organisierte Kugeln aus Dickdarmgewebe, die hauptsächlich epitheliale Stammzellen enthalten. Nach der Fragmentierung der Organoide ihre Zellen werden verwendet, um den oberen von zwei parallelen Kanälen eines Mikrofluidikchips zu bevölkern, die durch eine poröse Membran getrennt sind. Einfach durch kontinuierliches Durchspülen der Kanäle mit Nährmedium, die Dickdarmstammzellen wachsen zu einem durchgehenden Blatt und bilden hochfunktionelle Becherzellen, die Schleim absondern.

"Das Wachstum der Zellen auf dem Chip unter Flow führt dazu, dass sich etwa 15% der Epithelzellen spontan zu Becherzellen differenzieren. Über das Epithel verteilt, diese produzieren eine in vivo-ähnliche Schleimschicht, “ sagte Erstautorin Alexandra Sontheimer-Phelps, ein Doktorand der Universität Freiburg, Deutschland, arbeitet in Ingbers Gruppe. "Zur selben Zeit, andere Epithelzellen, die sich weiter teilen, ergänzen die Becherzellpopulation ebenso wie im lebenden Dickdarm, was bedeutet, dass der Chip mehr als zwei Wochen im stationären Zustand gehalten werden kann, was es für längerfristige Studien sehr nützlich macht."

Das Wyss-Team zeigte, dass das Dickdarmepithel im Chip vollständig polarisiert ist, wobei verschiedene Marker auf sein Lumen-exponiertes beschränkt sind. schleimsekretierende Seite und die gegenüberliegende membranbindende Seite. Seine Becherzellen sezernieren das Haupt-Schleimprotein Mucin 2 (MUC2), die, wenn sie an komplexe Ketten von Zuckermolekülen gebunden sind, assembliert zu einem multimolekularen Netzwerk oder Gel, das Wasser aufnimmt. „Unser Ansatz erzeugt tatsächlich die zweischichtige Struktur von normalem Dickdarmschleim mit einer inneren dichten Schicht, von der wir zeigen, dass sie für bakterienähnliche Partikel, die durch den Darmkanal geströmt sind, undurchdringlich ist. und eine lockerere äußere Schicht, die das Eindringen von Partikeln ermöglicht. Dies ist in vitro noch nie zuvor gelungen. “ sagte Sontheimer-Phelps.

Um die Funktion des Schleims zu untersuchen, Sie und ihre Mitarbeiter setzten den Chip dem Entzündungsmediator PGE2 aus. Der Schleim schwillt innerhalb von Minuten und unabhängig von einer erneuten Schleimabsonderung schnell an, und dieser Vorgang der Schleimansammlung kann in lebenden Kulturen visualisiert werden, indem man die Chips von der Seite mit Dunkelfeldbeleuchtung betrachtet. Diese dynamische Reaktion könnte durch die Hemmung eines bestimmten Ionenkanals blockiert werden, die Ionen in das Dickdarmepithel pumpt und passiv Wassermolekülen folgen lässt und anscheinend Dies führt zu einer Schleimschwellung, wenn es durch Signale wie PGE2 stimuliert wird.

Schleim galt lange Zeit als passiv, Host-Barriere, aber es wird immer deutlicher, dass mikrobielle Spezies seine Struktur und Funktion zusätzlich zur Ernährung seiner Kohlenhydrate als Energiequelle beeinflussen. „Unser In-vitro-System bringt uns einen Schritt näher daran, herauszufinden, wie einzelne Bakterienarten und komplexere mikrobielle Gemeinschaften den Schleim beeinflussen können und umgekehrt. und wie sich dieses komplexe Zusammenspiel auf die Entwicklung von Darmerkrankungen auswirkt. Wir haben jetzt auch eine Testumgebung, um neue therapeutische Medikamente und probiotische Strategien zu entdecken, die diese Krankheiten verhindern oder umkehren könnten", sagte Ingber.

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