Les métabolites du microbiome humain augmentent les lésions du côlon par E. coli entérohémorragique,

étude montre Il reste mystérieux pourquoi les humains sont infectés par certains agents pathogènes bactériens ou viraux relativement facilement alors que les animaux qui ont des tissus et des fonctions immunitaires très similaires ne le font pas. Ce gouffre est également la raison pour laquelle les chercheurs sont fréquemment confrontés à des problèmes dans leurs efforts pour modéliser des maladies pathogènes dans des modèles animaux, comme les souris, et pourquoi les médicaments développés en utilisant cette approche échouent souvent chez les humains.

Un exemple frappant de différences spécifiques à l'espèce dans la tolérance à l'infection peut être observé dans la réponse à l'entérohémorragie E. coli (EHEC) bactéries, qui sont responsables de plus de 100, 000 infections par an rien qu'aux États-Unis, et la cause de la diarrhée sanglante (diarrhée de voyage), colite et syndrome hémolytique et urémique (SHU) - une maladie grave qui provoque une défaillance des reins après avoir rencontré la toxine Shiga d'EHEC. Depuis des années, on sait qu'il en faut 100, un nombre de bactéries EHEC pathogènes mille fois plus élevé pour infecter les souris par rapport aux humains, et que les souris ne développent pas de symptômes de la maladie à moins que les animaux ne soient élevés dans des conditions spéciales exemptes de germes dans lesquelles ils n'ont pas de microbiome intestinal commensal normal.

Une équipe pluridisciplinaire d'ingénieurs biologistes, microbiologistes, et des biologistes des systèmes du Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering de Harvard travaillant sur le projet "Technologies for Host Resilience" (THoR) soutenu par la DARPA, dont le but est de découvrir les causes de tolérance à l'infection que présentent certains individus ou espèces, a maintenant réussi à modéliser l'infection du côlon humain par EHEC in vitro à l'aide d'un dispositif de culture microfluidique Organ-on-a-Chip (Organ Chip). Étonnamment, leur approche a permis d'identifier les principales différences entre les métabolites produits par les communautés complexes de bactéries commensales qui composent le microbiome présent dans le côlon de la souris par rapport au côlon humain. Ils ont découvert que quatre métabolites produits à des niveaux plus élevés par le microbiome intestinal humain peuvent aider à expliquer la sensibilité accrue du côlon humain à l'EHEC. L'étude a été publiée dans Microbiome .

"Nous avons été motivés par l'observation qu'il existe souvent d'énormes différences de sensibilité entre l'intestin de l'homme et de la souris lorsqu'il est confronté au même agent pathogène, et des travaux antérieurs qui ont montré que certaines de ces différences de tolérance à l'infection peuvent s'expliquer par des différences dans le microbiome intestinal entre ces espèces, " a déclaré le directeur fondateur du Wyss Institute, Donald Ingber, MARYLAND., Doctorat., qui a dirigé l'étude. "Pour attaquer ce problème directement, nous avons tiré parti de notre technologie de puce d'organe humain et l'avons combinée avec des métabolites microbiens produits dans des bioréacteurs, ainsi que l'analyse métabolomique, pour mieux comprendre la base moléculaire de cette différence de sensibilité spécifique à l'espèce à l'EHEC. ainsi que professeur de bio-ingénierie à la John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences de Harvard.

Parce que EHEC infecte principalement le côlon humain, l'équipe a d'abord assemblé une puce du côlon en utilisant sa technologie de culture microfluidique et en tirant parti de leurs récentes avancées dans l'utilisation de fragments de tissus intestinaux appelés organoïdes comme intermédiaires vers la génération d'un épithélium intestinal hautement fonctionnel qui forme spontanément des projections en forme de doigt appelées villosités intestinales dans l'appareil. Dans la puce du côlon, l'épithélium du côlon tapisse l'un des deux canaux parallèles (le "canal luminal intestinal") qui sont séparés par une membrane poreuse recouverte d'une matrice extracellulaire (MEC) à laquelle les cellules adhèrent préférentiellement. Le canal opposé (le "canal vasculaire") est bordé de cellules endothéliales intestinales humaines qui imitent un vaisseau sanguin soutenant et communiquant avec l'épithélium du côlon.

L'équipe a testé si la complexité totale des molécules solubles produites par des communautés microbiotiques complexes de souris et d'humains cultivées dans des bioréacteurs qui imitaient le grand milieu intestinal affectait différemment l'infectivité de l'EHEC dans les puces du côlon humain. "C'était frappant - après l'ajout de métabolites spécifiques au microbiome humain, l'épithélium du côlon humain a été gravement blessé avec de grandes lésions apparaissant là où les cellules sont mortes et se sont détachées du tissu, alors que le même épithélium humain exposé à des métabolites spécifiques au microbiome de souris était beaucoup moins affecté, " a déclaré le premier auteur Alessio Tovaglieri, qui a effectué ses études supérieures dans l'équipe d'Ingber en tant qu'étudiant à l'ETH Zurich en Suisse. "De façon intéressante, les bactéries EHEC pathogènes n'ont pas lésé le tissu du côlon en l'absence de métabolites du microbiome, et les mélanges complexes de métabolites eux-mêmes n'ont eu aucun effet en l'absence d'EHEC."

L'équipe a pu démontrer que les différences de lésions déclenchées par les métabolites du microbiome humain et murin n'étaient pas dues à des modifications des cytokines inflammatoires, différences dans la production de toxine Shiga, ou des altérations de la capacité d'EHEC à coloniser l'épithélium du côlon. Pour se rapprocher des causes profondes réelles, ils ont effectué des analyses transcriptomiques, l'analyse des changements dans l'expression des gènes dans les bactéries EHEC lors de l'exposition aux métabolites du microbiome humain et murin et l'analyse métabolomique pour identifier les différences dans la composition chimique des deux mélanges de métabolites.

"Les gènes codant pour les protéines qui agissent dans la chimiotaxie EHEC et la motilité flagellaire ont obtenu les scores les plus élevés parmi tous les gènes spécifiquement régulés à la hausse par les métabolites du microbiome humain qui semblaient augmenter la pathogénicité, et, de façon intéressante, nous avons constaté que les bactéries EHEC exposées aux métabolites du microbiome humain étaient beaucoup plus mobiles, " a déclaré Tovaglieri. Les flagelles sont les appendices minces et complexes que de nombreuses bactéries utilisent comme moteurs pour se déplacer vers des sources de nourriture (chimiotaxie).

Sur 426 métabolites qui étaient présents à différents niveaux dans les deux mélanges de métabolites, une combinaison de quatre métabolites du microbiome humain, qui étaient tous élevés par rapport à leurs niveaux dans le microbiome de la souris, était suffisant pour augmenter la motilité EHEC dans une boîte. Surtout, ils étaient également suffisants pour convertir le mélange de métabolites du microbiome de souris normalement inoffensif en un mélange qui facilite les dommages aux tissus du côlon dans le dispositif humain Colon Chip, le rendant aussi efficace que les métabolites du microbiome humain. Certains de ces mêmes métabolites se trouvent à des niveaux beaucoup plus élevés chez les enfants qui sont également connus pour être plus sensibles à l'infection à EHEC.

"Ce travail a découvert des cibles moléculaires potentielles qui pourraient aider à soulager la souffrance des patients atteints d'EHEC si nous pouvions développer des moyens de supprimer leur production ou d'améliorer leur élimination chez l'homme. La même approche de puce organique humaine combinée à la métabolomique pourrait aider à identifier d'autres métabolites qui interviennent effets protecteurs et augmenter la tolérance à d'autres infections à l'avenir. Cela peut également nous aider à mieux comprendre pourquoi certaines personnes sont sensibles aux infections tandis que d'autres y sont tolérantes, " a déclaré Ingber.

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