Un nuevo dispositivo para modelar el complejo entorno del microbioma del intestino humano

Varios miles de cepas de bacterias viven en el intestino humano. Algunos de estos están asociados con enfermedades, mientras que otros tienen efectos beneficiosos sobre la salud humana. Averiguar el papel preciso de cada una de estas bacterias puede resultar difícil, porque muchos de ellos no se pueden cultivar en estudios de laboratorio con tejido humano.

Esta dificultad es especialmente pronunciada para las especies que no pueden vivir en ambientes ricos en oxígeno. Sin embargo, Los ingenieros biológicos y mecánicos del MIT han diseñado un dispositivo especializado en el que pueden hacer crecer esas bacterias intolerantes al oxígeno en el tejido que replica el revestimiento del colon. permitiéndoles sobrevivir hasta cuatro días.

Pensamos que era realmente importante aportar una herramienta a la comunidad que pudiera usarse para este caso extremo. Demostramos que se pueden cultivar estos organismos tan exigentes, y pudimos estudiar los efectos que tienen en el colon humano ".

Linda Griffith, Profesor de Innovación Docente de la Escuela de Ingeniería en el Departamento de Ingeniería Biológica del MIT

Usando este sistema, los investigadores demostraron que podían cultivar una cepa de bacterias llamada Faecalibacterium prausnitzii, que vive en el intestino humano y protege contra la inflamación. También demostraron que estas bacterias, que a menudo están disminuidos en pacientes con enfermedad de Crohn, parecen ejercer muchos de sus efectos protectores a través de la liberación de un ácido graso llamado butirato.

Griffith y David Trumper, un profesor de ingeniería mecánica del MIT, son los autores principales del estudio, que aparece hoy en la revista Medicina . Los postdoctorados del MIT Jianbo Zhang y Yu-Ja Huang son los autores principales del artículo.

Sensibilidad al oxigeno

El complejo entorno del microbioma del intestino humano es difícil de modelar utilizando animales como ratones, en parte porque los ratones comen una dieta muy diferente a la de los humanos, Griffith dice.

"Hemos aprendido mucho de los ratones y otros modelos animales, pero hay muchas diferencias, especialmente cuando se trata del microbioma intestinal, " ella dice.

La mayoría de las bacterias que viven en el intestino humano son anaeróbicas, lo que significa que no necesitan oxígeno para sobrevivir. Algunas de estas bacterias pueden tolerar niveles bajos de oxígeno, mientras otros, tal como F. prausnitzii , no puede sobrevivir a la exposición al oxígeno, lo que dificulta su estudio en un laboratorio. Algunos investigadores han diseñado dispositivos en los que pueden hacer crecer células del colon humano junto con bacterias que toleran niveles bajos de oxígeno. pero estos no funcionan bien para F. prausnitzii y otros microbios altamente intolerantes al oxígeno.

Para superar esto, el equipo del MIT diseñó un dispositivo que les permite controlar con precisión los niveles de oxígeno en cada parte del sistema. Su dispositivo contiene un canal que está recubierto con células de la barrera mucosa humana del colon. Debajo de estas celdas, se bombean nutrientes para mantener vivas las células. Esta capa inferior es rica en oxígeno, pero la concentración de oxígeno disminuye hacia la parte superior de la capa de células mucosas, de manera similar a lo que ocurre en el interior del colon humano.

Al igual que lo hacen en el colon humano, las células de barrera en el canal secretan una densa capa de moco. El equipo del MIT demostró que F. prausnitzii puede formar nubes de células en la capa externa de este moco y sobrevivir allí hasta cuatro días, en un entorno que se mantiene libre de oxígeno gracias a los fluidos que lo atraviesan. Este líquido también contiene nutrientes para los microbios.

Usando este sistema, los investigadores pudieron demostrar que F. prausnitzii influye en las vías celulares implicadas en la inflamación. Observaron que las bacterias producen un ácido graso de cadena corta llamado butirato, que previamente se ha demostrado que reduce la inflamación. Después de que subieron los niveles de butirato, las células de la mucosa mostraron una reducción en la actividad de una vía llamada NF kappa B. Esta reducción calma la inflamación.

"En general, este camino se ha reducido, que es realmente similar a lo que la gente ha visto en humanos, "Dice Zhang." Parece que las bacterias están desensibilizando las células de los mamíferos para no reaccionar de forma exagerada a los peligros del entorno exterior, por lo que el estado de la inflamación está siendo calmado por las bacterias ".

Los pacientes con enfermedad de Crohn a menudo tienen niveles reducidos de F. prausnitzii , y se presume que la falta de esas bacterias contribuye a la inflamación hiperactiva observada en esos pacientes.

Cuando los investigadores agregaron butirato al sistema, sin bacterias, no generó todos los efectos que vieron cuando las bacterias estaban presentes. Esto sugiere que algunos de los efectos de las bacterias pueden ejercerse a través de otros mecanismos, que los investigadores esperan seguir investigando.

Microbios y enfermedades

Los investigadores también planean usar su sistema para estudiar qué sucede cuando agregan otras especies de bacterias que se cree que juegan un papel en la enfermedad de Crohn. para intentar explorar más a fondo los efectos de cada especie.

También están planeando un estudio, trabajando con Alessio Fasano, el jefe de la división de gastroenterología y nutrición pediátricas del Hospital General de Massachusetts, cultivar tejido mucoso de pacientes con enfermedad celíaca y otros trastornos gastrointestinales. Este tejido podría usarse para estudiar la inflamación inducida por microbios en células con diferentes antecedentes genéticos.

"Esperamos obtener nuevos datos que muestren cómo los microbios y la inflamación funcionan con el trasfondo genético del huésped". para ver si podría haber personas que tengan una susceptibilidad genética a que los microbios interfieran con la barrera mucosa un poco más que otras personas, "Griffith dice.

También espera usar el dispositivo para estudiar otros tipos de barreras mucosas, incluidos los del aparato reproductor femenino, como el cuello uterino y el endometrio.

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