Metaboliti ljudskih mikrobioma pojačavaju ozljede debelog crijeva enterohemoragičnom E. coli,

studija pokazuje Ostaje misteriozno zašto se ljudi relativno lako zaraze nekim bakterijskim ili virusnim uzročnicima, dok životinje koje imaju vrlo slična tkiva i imunološke funkcije nemaju. Ovaj ponor je također razlog zašto se istraživači često suočavaju s problemima u pokušajima modeliranja patogenih bolesti na životinjskim modelima, poput miševa, i zašto lijekovi razvijeni ovim pristupom često ne uspijevaju kod ljudi.

Upečatljiv primjer razlika u toleranciji na infekciju specifičnih za pojedine vrste može se vidjeti u odgovoru na enterohemoragične E coli (EHEC) bakterije, koji su odgovorni za više od 100, 000 infekcija godišnje samo u SAD -u, i uzrok krvavog proljeva (putnički proljev), kolitis i hemolitički uremički sindrom (HUS) - ozbiljno stanje koje uzrokuje otkazivanje bubrega nakon što naiđu na EHEC -ov toksin Shiga. Godinama je poznato da je potrebno 100, 000 puta veći broj patogenih EHEC bakterija koje inficiraju miševe u usporedbi s ljudima, i da miševi ne razvijaju simptome bolesti osim ako se životinje uzgajaju u posebnim uvjetima bez klica u kojima im nedostaje normalan komenzalni mikrobiom crijeva.

Multidisciplinarni tim bioloških inženjera, mikrobiolozi, i sistemski biolozi na Harvardskom institutu Wyss za biološki nadahnuto inženjerstvo koji rade na projektu Instituta koji podržava DARPA "Tehnologije za otpornost domaćina" (THoR), čiji je cilj otkriti uzroke tolerancije na infekciju koju pokazuju određene jedinke ili vrste, je sada uspio modelirati infekciju ljudskog debelog crijeva EHEC-om in vitro pomoću mikrofluidnog uređaja za uzgoj Organ-on-a-Chip (Organ Chip). Iznenađujuče, njihov pristup omogućio je identifikaciju ključnih razlika između metabolita koje proizvode složene zajednice komenzalnih bakterija koje čine mikrobiom prisutan u mišu u odnosu na debelo crijevo čovjeka. Otkrili su da četiri metabolita koja na višim razinama proizvode mikrobiomi crijeva čovjeka mogu objasniti pojačanu osjetljivost ljudskog debelog crijeva na EHEC. Studija je objavljena godine Mikrobiom .

"Motivirali smo opažanjem da često postoje ogromne razlike u osjetljivosti između crijeva čovjeka i miša kada se izazovu istim patogenom, i prošli radovi koji su pokazali da se neke od ovih razlika u toleranciji na infekciju mogu objasniti razlikama u crijevnom mikrobiomu između ovih vrsta, "rekao je direktor Inging, osnivač Wyss Instituta, DOKTOR MEDICINE., Dr. Sc., koji je vodio studiju. "Za izravni napad na ovaj problem, iskoristili smo našu tehnologiju ljudskih čipova organa i kombinirali je s mikrobnim metabolitima proizvedenim u bioreaktorima, kao i metabolomijska analiza, kako bi stekli uvid u molekularne osnove ove razlike u osjetljivosti na EHEC za ovu vrstu. "Ingber je također profesor Judah Folkmana profesor vaskularne biologije na Medicinskoj školi Harvard (HMS) i programa vaskularne biologije u dječjoj bolnici u Bostonu, kao i profesor bioinženjeringa na Harvardskoj školi inženjeringa i primijenjenih znanosti John A. Paulson.

Budući da EHEC prvenstveno inficira ljudsko crijevo, tim je prvi put sastavio čip debelog crijeva koristeći svoju tehnologiju mikrofluidne kulture i iskoristio svoj nedavni napredak u korištenju fragmenata crijevnog tkiva poznatih kao organoidi kao posrednici u stvaranju visoko funkcionalnog crijevnog epitela koji u uređaju spontano stvara izbočine nalik prstima, nazvane crijevne resice. U čipu debelog crijeva, epitel debelog crijeva oblaže jedan od dva paralelna kanala ("crijevni luminalni kanal") koji su odvojeni poroznom membranom presvučenom izvanstaničnom matricom (ECM) za koju se stanice prvenstveno vezuju. Suprotni kanal ("vaskularni kanal") obložen je endotelnim stanicama ljudskog crijeva koje oponašaju krvne žile koje podupiru i komuniciraju s epitelom debelog crijeva.

Tim je testirao je li puna složenost topljivih molekula proizvedena od složenih miševskih i ljudskih mikrobiotskih zajednica kultivirana u bioreaktorima koji su imitirali veliki crijevni milje različito utjecali na EHEC infektivnost u ljudskim čipovima debelog crijeva. "Bilo je upečatljivo - nakon dodavanja metabolita specifičnih za ljudski mikrobiom, ljudski epitel debelog crijeva bio je teško ozlijeđen s velikim lezijama koje su se pojavile na mjestima gdje su stanice umrle i odvojile se od tkiva, dok je isti ljudski epitel izložen mišjim mikrobiomima specifičnim metabolitima imao mnogo manji učinak, "rekao je prvi autor Alessio Tovaglieri, koji je diplomski rad izveo u Ingberovom timu kao student na ETH Zürich u Švicarskoj. "Zanimljivo, patogene EHEC bakterije nisu ozlijedile tkivo debelog crijeva u nedostatku metabolita mikrobioma, a same složene smjese metabolita nisu imale učinka u odsutnosti EHEC -a. "

Tim je uspio dokazati da razlike u ozljedama izazvanim metabolitima mikrobioma čovjeka i miša nisu posljedica promjena u upalnim citokinima, razlike u proizvodnji toksina Shiga, ili promjene u sposobnosti EHEC -a da kolonizira epitel debelog crijeva. Da biste se približili stvarnim temeljnim uzrocima, izvršili su transkriptomsku analizu, analiziranje promjena u ekspresiji gena u EHEC bakterijama nakon izlaganja metabolizmu mikrobioma čovjeka i miša i analiza metabolomike kako bi se identificirale razlike u kemijskom sastavu dviju smjesa metabolita.

"Geni koji kodiraju proteine ​​koji djeluju u EHEC kemotaksiji i pokretljivosti flagela imali su najveći rezultat među svim genima koji su posebno regulirani metabolitima ljudskog mikrobioma za koje se činilo da pojačavaju patogenost, i, zanimljivo, otkrili smo da su EHEC bakterije izložene metabolitima ljudskog mikrobioma mnogo pokretljivije, "rekao je Tovaglieri. Flagele su složeni vitki dodaci koje mnoge bakterije koriste poput motora za kretanje prema izvorima hrane (kemotaksija).

Od 426 metabolita koji su bili prisutni na različitim razinama u dvije smjese metabolita, kombinacija četiri metabolita ljudskih mikrobioma, koji su svi bili povišeni u odnosu na njihove razine u mikrobiomu miša, bila dovoljna za povećanje EHEC pokretljivosti u jelu. Važno je, također su bili dovoljni za pretvaranje normalno bezopasne metabolitne smjese mikrobioma miša u onu koja olakšava oštećenje tkiva debelog crijeva u uređaju za ljudski čip debelog crijeva, što ga čini jednako učinkovitim kao i metaboliti ljudskog mikrobioma. Neki od tih istih metabolita nalaze se na mnogo višim razinama u djece za koje je također poznato da su osjetljiviji na EHEC infekciju.

"Ovaj rad je otkrio potencijalne molekularne ciljeve koji bi mogli pomoći u ublažavanju patnje u pacijenata s EHEC -om ako bismo mogli razviti načine za suzbijanje njihove proizvodnje ili poboljšati njihovo uklanjanje kod ljudi. Isti pristup ljudskim čipovima organa u kombinaciji s metabolomikom mogao bi pomoći u identificiranju drugih metabolita koji posreduju zaštitne učinke i povećati toleranciju na druge infekcije u budućnosti. Također nam može pomoći da steknemo daljnji uvid u to zašto su neke osobe osjetljive na infekcije, dok su druge tolerantne, "rekao je Ingber.

• Znanstvenici su identificirali učinkovitije liječenje raka
• Kombinirana imunosupresija može biti učinkovita,