Ihmisen mikrobiomimetaboliitit lisäävät paksusuolen vaurioita enterohemorragisen E. colin,

tutkimus osoittaa On edelleen salaperäistä, miksi ihmiset tarttuvat joihinkin bakteeri- tai viruspatogeeneihin suhteellisen helposti, kun taas eläimet, joilla on hyvin samanlaiset kudokset ja immuunitoiminnot, eivät. Tämä kuilu on myös syy siihen, miksi tutkijat kohtaavat usein ongelmia pyrkiessään mallintamaan patogeenisiä sairauksia eläinmalleissa, kuten hiiret, ja miksi tällä lähestymistavalla kehitetyt lääkkeet epäonnistuvat usein ihmisillä.

Vaikuttava esimerkki lajikohtaisista eroista infektiosietokyvyssä näkyy vastauksena enterohemorragiseen E. coli (EHEC) bakteerit, jotka ovat vastuussa yli 100:sta, 000 tartuntaa vuodessa yksin Yhdysvalloissa, ja verisen ripulin (matka -ripuli) syy, koliitti ja hemolyyttinen ureeminen oireyhtymä (HUS) - vakava sairaus, joka aiheuttaa munuaisten vajaatoiminnan, kun he kohtaavat EHEC:n Shiga -toksiinin. Vuosien ajan on tiedetty, että se vaatii 100, 000-kertainen määrä patogeenisiä EHEC-bakteereita hiirien tartuttamiseen verrattuna ihmisiin, ja että hiiret eivät kehitä taudin oireita, ellei eläimiä kasvateta erityisissä bakteerittomissa olosuhteissa, joissa niiltä puuttuu normaali kommensaalinen suolen mikrobiomi.

Monitieteinen biologisten insinöörien ryhmä, mikrobiologit, ja systeemibiologit Harvardin Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering -ohjelmassa, jotka työskentelevät instituutin DARPA-tuetun "Technologies for Host Resilience" (THoR) -projektin parissa, joiden tavoitteena on paljastaa tiettyjen yksilöiden tai lajien aiheuttaman infektion sietokyvyn syyt, on nyt onnistunut mallinnamaan ihmisen paksusuolen infektion EHEC:llä in vitro käyttäen mikrofluidista Organ-on-a-Chip (Organ Chip) -viljelylaitetta. Yllättävän, niiden lähestymistapa mahdollisti keskeisten erojen tunnistamisen metaboliittien välillä, joita tuottavat monimutkaisten kommensalibakteerien yhteisöt, jotka käsittävät hiiren mikrobiomin ja ihmisen paksusuolen. He havaitsivat, että neljä metaboliittia, joita ihmisen suolen mikrobiomi tuottaa korkeammalla tasolla, voivat auttaa selittämään ihmisen paksusuolen lisääntynyttä herkkyyttä EHEC:lle. Tutkimus julkaistiin vuonna Mikrobiomi .

"Meitä motivoi havainto, että ihmisen ja hiiren suoliston herkkyydessä on usein valtavia eroja, kun niitä altistetaan samalle taudinaiheuttajalle," ja aiempi työ, joka on osoittanut, että jotkut näistä eroista infektion sietokyvyssä voidaan selittää näiden lajien välisillä suoliston mikrobiomien eroilla, "sanoi Wyss -instituutin perustajajohtaja Donald Ingber, M.D., Ph.D., joka johti tutkimusta. "Hyökkäämään suoraan tähän ongelmaan, hyödynsimme ihmisen elinsiruteknologiamme ja yhdistimme sen bioreaktoreissa tuotettuihin mikrobimetaboliitteihin, sekä metabolinen analyysi, saadakseen tietoa molekyyliperustasta tälle lajikohtaiselle herkkyyserolle EHEC:lle. "Ingber on myös Juuda Folkman Vascular Biology -professori Harvardin lääketieteellisessä koulussa (HMS) ja Vascular Biology Program Boston Boston Hospitalissa, sekä biotekniikan professori Harvardin John A.Paulsonin tekniikan ja ammattikorkeakoulussa.

Koska EHEC tartuttaa ensisijaisesti ihmisen paksusuolen, tiimi kokosi ensin Colon Chipin käyttäen mikrofluidiviljelyteknologiaa ja hyödyntäen viimeaikaisia ​​saavutuksiaan käyttämällä organoidina tunnettuja suoliston kudosfragmentteja välituotteina kohti erittäin toimivan suolen epiteelin muodostamista, joka muodostaa spontaanisti laitteessa suoliston villiksi kutsutut ulkonemat. Paksusuolen sirussa, paksusuolen epiteeli linjaa yhden kahdesta rinnakkaisesta kanavasta ("suolen luminaalikanava"), jotka on erotettu huokoisella kalvolla, joka on päällystetty solunulkoisella matriisilla (ECM), johon solut kiinnittyvät ensisijaisesti. Vastakkainen kanava ("verisuonikanava") on vuorattu ihmisen suoliston endoteelisoluilla, jotka jäljittelevät verisuonia, joka tukee ja kommunikoi paksusuolen epiteelin kanssa.

Tiimi testasi, vaikuttaako monimutkaisien hiiren ja ihmisen mikrobioottiyhteisöjen tuottamien liukoisten molekyylien monimutkaisuus bioreaktoreissa, jotka matkivat paksusuolenmiljööä, eri tavalla EHEC -tarttuvuuteen ihmisen paksusuolen siruissa. "Se oli hämmästyttävää - ihmisen mikrobiomille spesifisten metaboliittien lisäämisen jälkeen ihmisen paksusuolen epiteeli loukkaantui pahasti ja suuria vaurioita ilmeni, kun solut kuolivat ja irrotettiin kudoksesta, kun taas sama ihmisen epiteeli, joka oli altistunut hiiren mikrobiomille spesifisille metaboliiteille, vaikutti paljon vähemmän, "sanoi ensimmäinen kirjoittaja Alessio Tovaglieri, joka suoritti jatkotyönsä Ingberin tiimissä opiskelijana ETH Zürichissä Sveitsissä. "Mielenkiintoista, patogeeniset EHEC -bakteerit eivät vahingoittaneet paksusuolen kudosta ilman mikrobiomimetaboliitteja, ja monimutkaisilla metaboliittiseoksilla itsellään ei ollut vaikutusta ilman EHEC:tä. "

Tiimi pystyi osoittamaan, että ihmisen ja hiiren mikrobiomimetaboliittien aiheuttamien vammojen erot eivät johtuneet tulehduksellisten sytokiinien muutoksista, erot Shiga -toksiinin tuotannossa, tai muutokset EHEC:n kyvyssä kolonisoida paksusuolen epiteeli. Päästäksesi lähemmäksi todellisia perimmäisiä syitä, he suorittivat transkriptisen analyysin, analysoimalla muutoksia geeniekspressiossa EHEC -bakteereissa altistuessaan ihmisen ja hiiren mikrobiomimetaboliiteille ja metabolomiikka -analyysillä, jotta voidaan tunnistaa erot kahden metaboliittiseoksen kemiallisessa koostumuksessa.

"Geenit, jotka koodaavat proteiineja, jotka toimivat EHEC -kemotaksiksessa ja flagellar -liikkuvuudessa, saivat korkeimman mahdollisen geenin kaikista ihmisen mikrobiomin metaboliiteista, jotka näyttivät parantavan patogeenisyyttä, ja, mielenkiintoisesti, huomasimme, että ihmisen mikrobiomin metaboliiteille altistuneet EHEC -bakteerit olivat paljon liikkuvampia, "sanoi Tovaglieri. Flagellat ovat monimutkaisia ​​ohuita lisäosia, joita monet bakteerit käyttävät moottorien tapaan siirtyäkseen kohti elintarvikkeita (kemotaksista).

426 metaboliitista, joita esiintyi eri tasoilla kahdessa metaboliittiseoksessa, neljän ihmisen mikrobiomimetaboliitin yhdistelmä, jotka kaikki olivat kohonneet verrattuna niiden tasoon hiiren mikrobiomissa, riitti lisäämään EHEC -liikkuvuutta astiassa. Tärkeää ne myös riittivät muuttamaan normaalisti vaarattoman hiiren mikrobiomin metaboliittiseoksen sellaiseksi, joka helpottaa paksusuolen kudoksen vaurioitumista ihmisen Colon Chip -laitteessa, mikä tekee siitä yhtä tehokkaan kuin ihmisen mikrobiomin metaboliitit. Joitakin näistä samoista metaboliiteista esiintyy paljon korkeammilla tasoilla lapsilla, joiden tiedetään myös olevan herkempiä EHEC -infektiolle.

"Tämä työ on paljastanut mahdollisia molekyylikohteita, jotka voisivat auttaa lievittämään kärsimystä EHEC -potilailla, jos voisimme kehittää tapoja tukahduttaa niiden tuotanto tai parantaa niiden poistumista ihmisillä. Sama ihmisen elinlaskumenetelmä yhdistettynä metaboliikkaan voisi auttaa tunnistamaan muita välittäjäaineita suojaavat vaikutukset ja lisäävät toleranssia muita infektioita kohtaan tulevaisuudessa. Se voi myös auttaa meitä saamaan lisää tietoa siitä, miksi tietyt ihmiset ovat herkkiä infektioille, kun taas toiset ovat suvaitsevaisia, "sanoi Ingber.

• Tutkijat tunnistavat tehokkaamman syövän hoidon
• Yhdistetty immunosuppressio voi olla tehokasta,