Un nuovo dispositivo per modellare il complesso ambiente microbioma dell'intestino umano

Diverse migliaia di ceppi di batteri vivono nell'intestino umano. Alcuni di questi sono associati a malattie, mentre altri hanno effetti benefici sulla salute umana. Capire il ruolo preciso di ciascuno di questi batteri può essere difficile, perché molti di loro non possono essere coltivati ​​in studi di laboratorio utilizzando tessuti umani.

Questa difficoltà è particolarmente pronunciata per le specie che non possono vivere in ambienti ricchi di ossigeno. Però, Gli ingegneri biologici e meccanici del MIT hanno ora progettato un dispositivo specializzato in cui possono far crescere quei batteri intolleranti all'ossigeno nei tessuti che replicano il rivestimento del colon, permettendo loro di sopravvivere fino a quattro giorni.

Abbiamo pensato che fosse davvero importante contribuire alla comunità con uno strumento che potesse essere utilizzato per questo caso estremo. Abbiamo dimostrato che puoi coltivare questi organismi molto esigenti, e siamo stati in grado di studiare gli effetti che hanno sul colon umano".

Linda Griffith, School of Engineering Professore di Didattica dell'Innovazione nel Dipartimento di Ingegneria Biologica del MIT

Utilizzando questo sistema, i ricercatori hanno dimostrato di poter far crescere un ceppo di batteri chiamato Faecalibacterium prausnitzii, che vive nell'intestino umano e protegge dall'infiammazione. Hanno anche dimostrato che questi batteri, che sono spesso diminuiti nei pazienti con malattia di Crohn, sembrano esercitare molti dei loro effetti protettivi attraverso il rilascio di un acido grasso chiamato butirrato.

Griffith e David Trumper, un professore di ingegneria meccanica del MIT, sono gli autori senior dello studio, che appare oggi sul giornale Med . I postdoc del MIT Jianbo Zhang e Yu-Ja Huang sono gli autori principali del documento.

Sensibilità all'ossigeno

Il complesso ambiente microbioma dell'intestino umano è difficile da modellare utilizzando animali come topi, in parte perché i topi seguono una dieta molto diversa da quella umana, dice Griffith.

"Abbiamo imparato molto dai topi e da altri modelli animali, ma ci sono molte differenze, soprattutto quando si tratta del microbioma intestinale, " lei dice.

La maggior parte dei batteri che vivono nell'intestino umano sono anaerobici, il che significa che non hanno bisogno di ossigeno per sopravvivere. Alcuni di questi batteri possono tollerare bassi livelli di ossigeno, mentre altri, come F. prausnitzii , non può sopravvivere all'esposizione all'ossigeno, il che rende difficile studiarli in laboratorio. Alcuni ricercatori hanno progettato dispositivi in ​​cui possono far crescere cellule del colon umano insieme a batteri che tollerano bassi livelli di ossigeno, ma questi non funzionano bene per F. prausnitzii e altri microbi altamente intolleranti all'ossigeno.

Per superare questo, il team del MIT ha progettato un dispositivo che consente loro di controllare con precisione i livelli di ossigeno in ogni parte del sistema. Il loro dispositivo contiene un canale rivestito con cellule della barriera mucosa umana del colon. Al di sotto di queste celle, i nutrienti vengono pompati per mantenere in vita le cellule. Questo strato inferiore è ricco di ossigeno, ma la concentrazione di ossigeno diminuisce verso la parte superiore dello strato di cellule della mucosa, similmente a quanto avviene all'interno del colon umano.

Proprio come fanno nel colon umano, le cellule barriera nel canale secernono un denso strato di muco. Il team del MIT lo ha dimostrato F. prausnitzii può formare nuvole di cellule nello strato esterno di questo muco e sopravvivere lì fino a quattro giorni, in un ambiente che è mantenuto privo di ossigeno dal fluido che lo attraversa. Questo fluido contiene anche sostanze nutritive per i microbi.

Utilizzando questo sistema, i ricercatori sono stati in grado di dimostrare che F. prausnitzii influenza le vie cellulari coinvolte nell'infiammazione. Hanno osservato che i batteri producono un acido grasso a catena corta chiamato butirrato, che in precedenza ha dimostrato di ridurre l'infiammazione. Dopo che i livelli di butirrato sono aumentati, le cellule della mucosa hanno mostrato una riduzione dell'attività di un percorso chiamato NF kappa B. Questa riduzione calma l'infiammazione.

"Globale, questo percorso è stato ridotto, che è molto simile a quello che le persone hanno visto negli umani, " dice Zhang. "Sembra che i batteri stiano desensibilizzando le cellule dei mammiferi per non reagire in modo eccessivo ai pericoli nell'ambiente esterno, quindi lo stato di infiammazione viene calmato dai batteri".

I pazienti con malattia di Crohn hanno spesso livelli ridotti di F. prausnitzii , e si ipotizza che la mancanza di quei batteri contribuisca all'infiammazione iperattiva osservata in quei pazienti.

Quando i ricercatori hanno aggiunto butirrato al sistema, senza batteri, non ha generato tutti gli effetti che hanno visto quando i batteri erano presenti. Ciò suggerisce che alcuni degli effetti dei batteri possono essere esercitati attraverso altri meccanismi, che i ricercatori sperano di approfondire.

Microbi e malattie

I ricercatori hanno anche in programma di utilizzare il loro sistema per studiare cosa succede quando aggiungono altre specie di batteri che si ritiene svolgano un ruolo nella malattia di Crohn, per cercare di esplorare ulteriormente gli effetti di ciascuna specie.

Stanno anche pianificando uno studio, collaborando con Alessio Fasano, il capo divisione di gastroenterologia pediatrica e nutrizione presso il Massachusetts General Hospital, far crescere il tessuto mucoso di pazienti con malattia celiaca e altri disturbi gastrointestinali. Questo tessuto potrebbe quindi essere utilizzato per studiare l'infiammazione indotta da microbi in cellule con background genetici diversi.

"Speriamo di ottenere nuovi dati che mostreranno come i microbi e l'infiammazione funzionano con il background genetico dell'ospite, per vedere se potrebbero esserci persone che hanno una suscettibilità genetica a che i microbi interferiscano con la barriera mucosa un po' più di altre persone, " dice Griffith.

Spera anche di utilizzare il dispositivo per studiare altri tipi di barriere mucose, compresi quelli dell'apparato riproduttivo femminile, come la cervice e l'endometrio.

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