Los metabolitos del microbioma humano aumentan la lesión del colon por E. coli enterohemorrágica,

estudio muestra Sigue siendo un misterio por qué los humanos se infectan con algunos patógenos bacterianos o virales con relativa facilidad, mientras que los animales que tienen tejidos y funciones inmunes muy similares no lo hacen. Este abismo también es la razón por la que los investigadores frecuentemente enfrentan problemas en sus esfuerzos por modelar enfermedades patógenas en modelos animales. como ratones, y por qué los fármacos desarrollados con este enfoque a menudo fallan en los seres humanos.

Un ejemplo sorprendente de las diferencias específicas de especie en la tolerancia a la infección se puede ver en la respuesta a enterohemorrágicos. E. coli (ECEH) bacterias, que son responsables de más de 100, 000 infecciones por año solo en los EE. UU., y la causa de la diarrea con sangre (diarrea de viaje), colitis y síndrome urémico hemolítico (SUH):una afección grave que induce a los riñones a fallar después de que se encuentran con la toxina Shiga de EHEC. Desde hace años se sabe que se necesitan 100, Un número 000 veces mayor de bacterias EHEC patógenas para infectar ratones en comparación con los humanos, y que los ratones no desarrollan síntomas de la enfermedad a menos que los animales crezcan en condiciones especiales libres de gérmenes en las que carecen de un microbioma intestinal comensal normal.

Un equipo multidisciplinario de ingenieros biológicos, microbiólogos, y biólogos de sistemas en el Instituto Wyss de Ingeniería de Inspiración Biológica de Harvard que trabajan en el Proyecto "Tecnologías para la Resiliencia del Anfitrión" (THoR) del Instituto, respaldado por DARPA, cuyo objetivo es descubrir las causas de tolerancia a la infección que presentan determinados individuos o especies, ahora ha logrado modelar la infección del colon humano con EHEC in vitro utilizando un dispositivo de cultivo de microfluidos Organ-on-a-Chip (Organ Chip). Asombrosamente, su enfoque permitió la identificación de diferencias clave entre los metabolitos producidos por las complejas comunidades de bacterias comensales que comprenden el microbioma presente en el colon del ratón frente al humano. Descubrieron que cuatro metabolitos que son producidos en niveles más altos por el microbioma intestinal humano pueden ayudar a explicar la mayor sensibilidad del colon humano hacia EHEC. El estudio fue publicado en Microbioma .

"Nos motivó la observación de que a menudo hay enormes diferencias en la sensibilidad entre el intestino humano y el de ratón cuando se desafía con el mismo patógeno, y trabajos anteriores que han demostrado que algunas de estas diferencias en la tolerancia a la infección pueden explicarse por diferencias en el microbioma intestinal entre estas especies, "dijo el director fundador del Instituto Wyss, Donald Ingber, MARYLAND., Doctor., quien dirigió el estudio. "Para atacar este problema directamente, aprovechamos nuestra tecnología de chips de órganos humanos y la combinamos con metabolitos microbianos producidos en biorreactores, así como análisis metabolómico, para obtener información sobre la base molecular de esta diferencia específica de especie en la sensibilidad a EHEC ". Ingber también es profesor de Biología Vascular Judah Folkman en la Facultad de Medicina de Harvard (HMS) 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.

Debido a que la ECEH infecta principalmente el colon humano, El equipo primero ensambló un Colon Chip usando su tecnología de cultivo de microfluidos y aprovechando sus avances recientes en el uso de fragmentos de tejido intestinal conocidos como organoides como intermediarios hacia la generación de un epitelio intestinal altamente funcional que forma espontáneamente proyecciones en forma de dedos llamadas vellosidades intestinales en el dispositivo. En el Colon Chip, el epitelio del colon recubre uno de los dos canales paralelos (el "canal luminal intestinal") que están separados por una membrana porosa recubierta con una matriz extracelular (MEC) a la que las células se adhieren preferentemente. El canal opuesto (el "canal vascular") está revestido por células endoteliales intestinales humanas que imitan un vaso sanguíneo que sostiene y se comunica con el epitelio del colon.

El equipo probó si la complejidad total de las moléculas solubles producidas por comunidades microbiotales complejas de ratones y humanos cultivadas en biorreactores que imitaban el medio intestinal afectaba de manera diferente la infectividad de EHEC en los chips de colon humanos. "Fue sorprendente:después de la adición de metabolitos específicos del microbioma humano, el epitelio del colon humano resultó gravemente dañado y aparecieron grandes lesiones donde las células murieron y se desprendieron del tejido". mientras que el mismo epitelio humano expuesto a metabolitos específicos del microbioma de ratón se vio mucho menos afectado, "dijo el primer autor Alessio Tovaglieri, quien realizó su trabajo de posgrado en el equipo de Ingber como estudiante en ETH Zurich en Suiza. "Curiosamente, la bacteria EHEC patógena no dañó el tejido del colon en ausencia de metabolitos del microbioma, y las mezclas complejas de metabolitos en sí mismas no tuvieron ningún efecto en ausencia de EHEC ".

El equipo pudo demostrar que las diferencias en las lesiones provocadas por los metabolitos del microbioma humano y del ratón no se debían a cambios en las citocinas inflamatorias. diferencias en la producción de toxina Shiga, o alteraciones en la capacidad de EHEC para colonizar el epitelio del colon. Para acercarse a las causas reales reales, realizaron análisis de transcriptómica, analizar cambios en la expresión génica en las bacterias EHEC tras la exposición a los metabolitos del microbioma humano y de ratón y análisis metabolómico para identificar diferencias en la composición química de las dos mezclas de metabolitos.

"Los genes que codifican proteínas que actúan en la quimiotaxis de EHEC y la motilidad flagelar obtuvieron la puntuación más alta entre todos los genes específicamente regulados positivamente por los metabolitos del microbioma humano que parecían mejorar la patogenicidad, y, curiosamente, Descubrimos que las bacterias EHEC expuestas a los metabolitos del microbioma humano eran mucho más móviles, ", dijo Tovaglieri. Los flagelos son los complejos apéndices delgados que muchas bacterias utilizan como motores para moverse hacia las fuentes de alimento (quimiotaxis).

De 426 metabolitos que estaban presentes en diferentes niveles en las dos mezclas de metabolitos, una combinación de cuatro metabolitos del microbioma humano, que todos estaban elevados en comparación con sus niveles en el microbioma del ratón, fue suficiente para aumentar la motilidad de EHEC en un plato. En tono rimbombante, también fueron suficientes para convertir la mezcla de metabolitos del microbioma del ratón normalmente inocuo en una que facilite el daño al tejido del colon en el dispositivo Colon Chip humano, haciéndolo tan eficaz como los metabolitos del microbioma humano. Algunos de estos mismos metabolitos se encuentran en niveles mucho más altos en niños que también se sabe que son más sensibles a la infección por ECEH.

"Este trabajo ha descubierto posibles dianas moleculares que podrían ayudar a aliviar el sufrimiento en pacientes con ECEH si pudiéramos desarrollar formas de suprimir su producción o mejorar su eliminación en humanos. El mismo enfoque de Organ Chip humano combinado con metabolómica podría ayudar a identificar otros metabolitos que median efectos protectores y aumentar la tolerancia a otras infecciones en el futuro. También puede ayudarnos a comprender mejor por qué ciertas personas son sensibles a las infecciones mientras que otras son tolerantes. "dijo Ingber.

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