El nuevo colon-on-a-chip humano permite el estudio in vitro de la fisiología del moco

Tenemos una relación mutualista pero complicada con la colección de microbios en nuestro intestino conocida como microbioma intestinal. Esta compleja comunidad de bacterias descompone diferentes componentes de los alimentos, y libera nutrientes como vitaminas y una gran cantidad de otros factores que controlan las funciones en los tejidos más allá del tracto intestinal. Sin embargo, la gran cantidad de microbios también presenta una amenaza, ya que pueden desencadenar inflamación, que se cree que es la causa de muchas enfermedades intestinales, incluida la enfermedad inflamatoria intestinal, lesión intestinal inducida por radiación, y algunos cánceres.

Para permitir la absorción de sustancias beneficiosas del lumen intestinal, y al mismo tiempo evitar que los microbios intestinales entren en contacto con la superficie del tejido epitelial intestinal, células especializadas llamadas células caliciformes producen continuamente moco, la sustancia viscosa y viscosa que recubre toda la superficie intestinal. Hasta ahora, la mucosidad ha sido notoriamente difícil de estudiar:su estructura se desintegra rápidamente en secciones del intestino extirpadas quirúrgicamente, el sistema más utilizado para estudiar el moco, y ningún sistema de cultivo in vitro ha sido capaz de reconstituir una capa de moco similar a in vivo con la estructura natural que se ve en el intestino vivo fuera del cuerpo humano. Además de estas dificultades, el moco también difiere entre los humanos y otras especies, diferentes secciones del tracto intestinal, e incluso diferentes individuos.

Ahora, centrándose en el intestino grueso o el colon que alberga la mayor cantidad de microbios comensales y tiene la capa de moco más espesa, Un equipo de ingenieros de tejidos del Instituto Wyss de Ingeniería Biológicamente Inspirada de Harvard ha desarrollado un dispositivo de cultivo de microfluidos de colon en un chip (Colon Chip) revestido por células de colon derivadas del paciente que acumula espontáneamente una capa de moco con el espesor, estructura de dos capas, y funciones de barrera que se encuentran típicamente en el colon humano normal. La superficie de la mucosa en su modelo también responde al mediador inflamatorio prostaglandina E2 (PGE2) montando una rápida respuesta de hinchamiento. Sus hallazgos se publican en Gastroenterología y Hepatología Celular y Molecular .

Nuestro enfoque brinda a los investigadores la oportunidad de encontrar respuestas a preguntas sobre la biología del moco normal y asociada a enfermedades, como sus contribuciones a las enfermedades inflamatorias intestinales y los cánceres, e interacciones complejas entre el microbioma y el huésped. En tono rimbombante, utilizamos células derivadas de pacientes para revestir estos dispositivos y, por lo tanto, esto representa un enfoque completamente nuevo para la medicina personalizada en el que puede ser posible estudiar cómo funciona el moco o las disfunciones en un paciente en particular, y adaptar la terapia en consecuencia ".

Donald Ingber, MARYLAND., Doctor., Director fundador, investigador principal del estudio

Ingber también es profesor Judah Folkman de Biología Vascular en la Facultad de Medicina de Harvard y del Programa de Biología Vascular en el Boston Children's Hospital. así como profesor de bioingeniería en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de Harvard. Su equipo es parte de una colaboración multiinstitucional respaldada por una subvención Grand Challenge de Cancer Research UK en la que su equipo de Wyss investiga cómo los cambios relacionados con la inflamación contribuyen a la formación de cánceres. incluidos los cánceres de colon. El Gran Desafío es una ambiciosa iniciativa internacional de investigación del cáncer, Apoyar a los equipos de científicos líderes en el mundo para que se enfrenten a algunos de los desafíos más difíciles del cáncer. y dándoles la libertad de probar enfoques novedosos a escala.

El enfoque del equipo comienza con células de colon derivadas de pacientes a partir de resecciones de colon y biopsias endoscópicas que primero se cultivan como "organoides". diminutas bolas organizadas de tejido del colon que contienen principalmente células madre epiteliales. Después de fragmentar los organoides, sus células se utilizan para poblar la parte superior de dos canales paralelos de un chip de microfluidos que están separados por una membrana porosa. Simplemente perfundiendo los canales continuamente con medio nutriente, las células madre del colon crecen en una hoja continua y forman células caliciformes altamente funcionales que secretan moco.

"El crecimiento de las células en chip bajo flujo da como resultado que aproximadamente el 15% de las células epiteliales se diferencien espontáneamente en células caliciformes. Distribuidas por todo el epitelio, estos producen una capa de moco similar a in vivo, "dijo la primera autora Alexandra Sontheimer-Phelps, un estudiante graduado de la Universidad de Friburgo, Alemania, trabajando en el grupo de Ingber. "Al mismo tiempo, otras células epiteliales que siguen dividiéndose también reponen la población de células caliciformes al igual que en el colon vivo, lo que significa que el chip se puede mantener en condiciones de estado estable durante más de dos semanas, lo que lo hace muy útil para estudios a más largo plazo ".

El equipo de Wyss demostró que el epitelio del colon en el chip está completamente polarizado con marcadores distintos restringidos a su luz expuesta, lado secretor de moco y su lado opuesto de unión a la membrana. Sus células caliciformes secretan la principal proteína mucosa mucina 2 (MUC2), que cuando se une a cadenas complejas de moléculas de azúcar, se ensambla en una red o gel multimolecular que absorbe agua. "Nuestro enfoque en realidad produce la estructura de dos capas del moco del colon normal con una capa interna densa que mostramos es impenetrable para las partículas que imitan a las bacterias que fluyen a través del canal intestinal, y una capa exterior más suelta que permite la entrada de partículas. Esto nunca se había logrado antes in vitro, "dijo Sontheimer-Phelps.

Para investigar la funcionalidad del moco, ella y sus compañeros de trabajo expusieron el chip al mediador inflamatorio PGE2. El moco se hinchó rápidamente en cuestión de minutos e independientemente de cualquier nueva secreción de moco. y este proceso de acumulación de moco se puede visualizar en cultivos vivos al ver las virutas desde el lado con iluminación de campo oscuro. Esta respuesta dinámica podría bloquearse inhibiendo un canal iónico en particular, que bombea iones hacia el epitelio del colon y permite pasivamente que las moléculas de agua sigan y aparentemente, esto provoca la inflamación del moco cuando es estimulado por señales como PGE2.

Durante mucho tiempo se pensó que la mucosidad era pasiva, barrera de acogida, pero es cada vez más claro que las especies microbianas afectan su estructura y función además de alimentarse de sus carbohidratos como fuente de energía. "Nuestro sistema in vitro nos acerca un paso más a descubrir cómo las especies bacterianas individuales y las comunidades microbianas más complejas pueden afectar el moco y viceversa, así como también cómo esta interacción compleja impacta el desarrollo de enfermedades intestinales. Ahora también tenemos un banco de pruebas para descubrir nuevos fármacos terapéuticos y estrategias probióticas que podrían prevenir o revertir estas enfermedades ", dijo Ingber.

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