Un nouveau colon-on-a-chip humain permet une étude in vitro de la physiologie du mucus

Nous avons une relation mutualiste mais compliquée avec la collection de microbes dans notre intestin connue sous le nom de microbiome intestinal. Cette communauté complexe de bactéries décompose différents composants alimentaires, et libère des nutriments tels que des vitamines et une pléthore d'autres facteurs qui contrôlent les fonctions dans les tissus bien au-delà du tractus intestinal. Cependant, le grand nombre de microbes présente également une menace car ils peuvent déclencher une inflammation, qui serait à l'origine de nombreuses maladies intestinales, y compris les maladies inflammatoires de l'intestin, lésion intestinale radio-induite, et certains cancers.

Pour permettre l'absorption de substances bénéfiques de la lumière intestinale, et en même temps empêcher les microbes intestinaux d'entrer en contact avec la surface du tissu épithélial intestinal, des cellules spécialisées appelées cellules caliciformes produisent en continu du mucus, la substance visqueuse ressemblant à de la boue qui recouvre toute la surface intestinale. Jusqu'à présent, le mucus a été notoirement difficile à étudier :sa structure se désintègre rapidement dans les sections de l'intestin prélevées chirurgicalement, le système le plus souvent utilisé pour étudier le mucus, et aucun système de culture in vitro n'a été capable de reconstituer une couche de mucus de type in vivo avec la structure naturelle observée dans l'intestin vivant à l'extérieur du corps humain. En plus de ces difficultés, le mucus diffère également entre les humains et les autres espèces, différentes sections du tractus intestinal, et même des individus différents.

Maintenant, en se concentrant sur le gros intestin ou côlon qui abrite le plus grand nombre de microbes commensaux et possède la couche de mucus la plus épaisse, une équipe d'ingénieurs tissulaires du Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering de Harvard a développé un dispositif de culture microfluidique du côlon sur puce (Colon Chip) bordé de cellules du côlon dérivées du patient qui accumule spontanément une couche de mucus avec l'épaisseur, structure bicouche, et les fonctions de barrière typiquement trouvées dans le côlon humain normal. La surface muqueuse dans leur modèle répond également au médiateur inflammatoire prostaglandine E2 (PGE2) en créant une réponse de gonflement rapide. Leurs conclusions sont publiées dans Gastroentérologie cellulaire et moléculaire et hépatologie .

Notre approche offre aux chercheurs la possibilité de trouver des réponses aux questions sur la biologie du mucus normal et associé à une maladie, telles que ses contributions aux maladies inflammatoires intestinales et aux cancers, et les interactions complexes hôte-microbiome. Surtout, nous utilisons des cellules dérivées du patient pour revêtir ces dispositifs et cela représente donc une approche entièrement nouvelle pour la médecine personnalisée où il peut être possible d'étudier comment le mucus fonctionne ou dysfonctionnement chez un patient particulier, et d'adapter la thérapie en conséquence."

Donald Ingber, MARYLAND., Doctorat., Directeur fondateur, chercheur principal sur l'étude

Ingber est également le professeur Judah Folkman de biologie vasculaire à la Harvard Medical School et le programme de biologie vasculaire du Boston Children's Hospital, ainsi que professeur de bio-ingénierie à la John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences de Harvard. Son équipe fait partie d'une collaboration multi-institutionnelle soutenue par une subvention Grand Challenge de Cancer Research UK dans laquelle son équipe Wyss étudie comment les changements liés à l'inflammation contribuent à la formation de cancers, y compris les cancers du côlon. Le Grand Challenge est une ambitieuse initiative internationale de recherche sur le cancer, soutenir des équipes de scientifiques de renommée mondiale pour relever certains des défis les plus difficiles en matière de cancer, et en leur donnant la liberté d'essayer de nouvelles approches à grande échelle.

L'approche de l'équipe commence avec des cellules du côlon dérivées de patients provenant de résections du côlon et de biopsies endoscopiques qui sont d'abord cultivées en tant qu'« organoïdes », de minuscules boules organisées de tissu du côlon qui contiennent principalement des cellules souches épithéliales. Après avoir fragmenté les organoïdes, leurs cellules sont utilisées pour peupler la partie supérieure de deux canaux parallèles d'une puce microfluidique qui sont séparés par une membrane poreuse. Simplement en perfusant les canaux en continu avec du milieu nutritif, les cellules souches du côlon se développent en une feuille continue et forment des cellules caliciformes hautement fonctionnelles qui sécrètent du mucus.

« La croissance des cellules sur puce sous flux permet à environ 15 % des cellules épithéliales de se différencier spontanément en cellules caliciformes. Réparties dans tout l'épithélium, ceux-ci produisent une couche de mucus de type in vivo, " a déclaré la première auteure Alexandra Sontheimer-Phelps, un étudiant diplômé de l'Université de Fribourg, Allemagne, travaillant dans le groupe d'Ingber. "À la fois, d'autres cellules épithéliales qui continuent à se diviser reconstituent également la population de cellules caliciformes, tout comme dans le côlon vivant, ce qui signifie que la puce peut être maintenue en régime permanent pendant plus de deux semaines, ce qui le rend très utile pour les études à plus long terme."

L'équipe Wyss a montré que l'épithélium du côlon dans la puce est entièrement polarisé avec des marqueurs distincts limités à sa lumière exposée, côté sécréteur de mucus et son côté opposé de liaison à la membrane. Ses cellules caliciformes sécrètent la protéine majeure mucus mucine 2 (MUC2), qui, lorsqu'elles sont liées à des chaînes complexes de molécules de sucre, s'assemble en réseau multimoléculaire ou en gel qui absorbe l'eau. "Notre approche produit en fait la structure bicouche du mucus du côlon normal avec une couche interne dense qui, selon nous, est impénétrable aux particules imitant les bactéries qui circulent dans le canal intestinal, et une couche externe plus lâche qui permet aux particules d'entrer. Cela n'a jamais été accompli auparavant in vitro, " a déclaré Sontheimer-Phelps.

Pour étudier la fonctionnalité du mucus, elle et ses collègues ont exposé la puce au médiateur inflammatoire PGE2. Le mucus a subi un gonflement rapide en quelques minutes et indépendamment de toute nouvelle sécrétion de mucus, et ce processus d'accumulation de mucus peut être visualisé dans les cultures vivantes en regardant les puces de côté avec un éclairage en champ sombre. Cette réponse dynamique pourrait être bloquée en inhibant un canal ionique particulier, qui pompe des ions dans l'épithélium du côlon et permet passivement aux molécules d'eau de suivre et apparemment, cela entraîne un gonflement du mucus lorsqu'il est stimulé par des signaux tels que PGE2.

Le mucus a longtemps été considéré comme un passif, barrière hôte, mais il devient de plus en plus clair que les espèces microbiennes affectent sa structure et sa fonction en plus de se nourrir de ses glucides comme source d'énergie. "Notre système in vitro nous rapproche un peu plus de la manière dont les espèces bactériennes individuelles et les communautés microbiennes plus complexes peuvent affecter le mucus et vice versa, ainsi que l'impact de cette interaction complexe sur le développement des maladies intestinales. Nous avons également maintenant un banc d'essai pour découvrir de nouvelles stratégies thérapeutiques de médicaments et de probiotiques qui pourraient prévenir ou inverser ces maladies », a déclaré Ingber.

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