Un nouveau dispositif pour modéliser l'environnement complexe du microbiome de l'intestin humain

Plusieurs milliers de souches de bactéries vivent dans l'intestin humain. Certains d'entre eux sont associés à la maladie, tandis que d'autres ont des effets bénéfiques sur la santé humaine. Il peut être difficile de déterminer le rôle précis de chacune de ces bactéries, parce que beaucoup d'entre eux ne peuvent pas être cultivés dans des études de laboratoire utilisant des tissus humains.

Cette difficulté est particulièrement prononcée pour les espèces qui ne peuvent pas vivre dans des environnements riches en oxygène. Cependant, Les ingénieurs biologiques et mécaniques du MIT ont maintenant conçu un dispositif spécialisé dans lequel ils peuvent cultiver ces bactéries intolérantes à l'oxygène dans les tissus qui répliquent la muqueuse du côlon, leur permettant de survivre jusqu'à quatre jours.

Nous avons pensé qu'il était vraiment important de contribuer un outil à la communauté qui pourrait être utilisé pour ce cas extrême. Nous avons montré que vous pouvez cultiver ces organismes très exigeants, et nous avons pu étudier les effets qu'ils ont sur le côlon humain."

Linda Griffith, School of Engineering Professeur d'enseignement de l'innovation au département de génie biologique du MIT

En utilisant ce système, les chercheurs ont montré qu'ils pouvaient cultiver une souche de bactérie appelée Faecalibacterium prausnitzii, qui vit dans l'intestin humain et protège contre l'inflammation. Ils ont également montré que ces bactéries, souvent diminuées chez les patients atteints de la maladie de Crohn, semblent exercer bon nombre de leurs effets protecteurs par la libération d'un acide gras appelé butyrate.

Griffith et David Trumper, un professeur de génie mécanique au MIT, sont les auteurs principaux de l'étude, qui paraît aujourd'hui dans la revue Moyenne . Les post-doctorants du MIT Jianbo Zhang et Yu-Ja Huang sont les principaux auteurs de l'article.

Sensibilité à l'oxygène

L'environnement complexe du microbiome de l'intestin humain est difficile à modéliser à l'aide d'animaux tels que des souris, en partie parce que les souris ont un régime alimentaire très différent de celui des humains, dit Griffith.

"Nous avons énormément appris des souris et d'autres modèles animaux, mais il y a beaucoup de différences, surtout en ce qui concerne le microbiome intestinal, " elle dit.

La plupart des bactéries qui vivent dans l'intestin humain sont anaérobies, ce qui signifie qu'ils n'ont pas besoin d'oxygène pour survivre. Certaines de ces bactéries peuvent tolérer de faibles niveaux d'oxygène, pendant que les autres, tel que F. prausnitzii , ne peut pas survivre à l'exposition à l'oxygène, ce qui rend difficile leur étude en laboratoire. Certains chercheurs ont conçu des dispositifs dans lesquels ils peuvent cultiver des cellules du côlon humain ainsi que des bactéries qui tolèrent de faibles niveaux d'oxygène, mais ceux-ci ne fonctionnent pas bien pour F. prausnitzii et d'autres microbes hautement intolérants à l'oxygène.

Pour surmonter cela, l'équipe du MIT a conçu un appareil qui leur permet de contrôler avec précision les niveaux d'oxygène dans chaque partie du système. Leur dispositif contient un canal recouvert de cellules de la barrière muqueuse humaine du côlon. En dessous de ces cellules, les nutriments sont pompés pour maintenir les cellules en vie. Cette couche inférieure est riche en oxygène, mais la concentration d'oxygène diminue vers le haut de la couche cellulaire muqueuse, similaire à ce qui se passe à l'intérieur du côlon humain.

Tout comme ils le font dans le côlon humain, les cellules barrières du canal sécrètent une couche dense de mucus. L'équipe du MIT a montré que F. prausnitzii peut former des nuages ​​de cellules dans la couche externe de ce mucus et y survivre jusqu'à quatre jours, dans un environnement qui est maintenu sans oxygène par le fluide qui le traverse. Ce liquide contient également des nutriments pour les microbes.

En utilisant ce système, les chercheurs ont pu montrer que F. prausnitzii influence les voies cellulaires impliquées dans l'inflammation. Ils ont observé que les bactéries produisent un acide gras à chaîne courte appelé butyrate, qui a déjà été montré pour réduire l'inflammation. Après que les niveaux de butyrate ont augmenté, les cellules muqueuses ont montré une réduction de l'activité d'une voie appelée NF kappa B. Cette réduction calme l'inflammation.

"Globalement, cette voie a été réduite, ce qui est vraiment similaire à ce que les gens ont vu chez les humains, " dit Zhang. " Il semble que les bactéries désensibilisent les cellules des mammifères pour ne pas réagir de manière excessive aux dangers de l'environnement extérieur, donc l'état de l'inflammation est calmé par les bactéries."

Les patients atteints de la maladie de Crohn ont souvent des niveaux réduits de F. prausnitzii , et l'absence de ces bactéries est supposée contribuer à l'inflammation hyperactive observée chez ces patients.

Lorsque les chercheurs ont ajouté du butyrate au système, sans bactéries, il n'a pas généré tous les effets qu'ils ont vus lorsque les bactéries étaient présentes. Cela suggère que certains des effets de la bactérie peuvent être exercés par d'autres mécanismes, que les chercheurs espèrent approfondir.

Microbes et maladies

Les chercheurs prévoient également d'utiliser leur système pour étudier ce qui se passe lorsqu'ils ajoutent d'autres espèces de bactéries qui joueraient un rôle dans la maladie de Crohn, pour essayer d'explorer davantage les effets de chaque espèce.

Ils prévoient également une étude, travailler avec Alessio Fasano, le chef de division de gastro-entérologie pédiatrique et de nutrition au Massachusetts General Hospital, pour faire croître le tissu muqueux de patients atteints de maladie cœliaque et d'autres troubles gastro-intestinaux. Ce tissu pourrait ensuite être utilisé pour étudier l'inflammation induite par des microbes dans des cellules ayant des antécédents génétiques différents.

"Nous espérons obtenir de nouvelles données qui montreront comment les microbes et l'inflammation fonctionnent avec le patrimoine génétique de l'hôte, pour voir s'il pourrait y avoir des personnes qui ont une susceptibilité génétique à ce que des microbes interfèrent un peu plus avec la barrière muqueuse que d'autres personnes, " dit Griffith.

Elle espère également utiliser l'appareil pour étudier d'autres types de barrières muqueuses, y compris ceux de l'appareil reproducteur féminin, comme le col de l'utérus et l'endomètre.

• Une étude révèle des preuves de dysbiose intestinale chez les personnes atteintes de la maladie de Huntington
• Une étude examine les risques de cancer gastrique de site spécifique parmi les populations ethniques