Il nuovo sistema consente osservazioni in tempo reale di singole cellule nel colon

Gli ingegneri biomedici della Duke University hanno sviluppato un sistema che consente osservazioni in tempo reale di singole cellule nel colon di un topo vivente.

I ricercatori si aspettano che la procedura consenta nuove indagini sul microbioma dell'apparato digerente, nonché sulle cause di malattie come le malattie infiammatorie intestinali e il cancro del colon e sui loro trattamenti.

La procedura descritta online l'11 dicembre in Comunicazioni sulla natura comporta l'impianto chirurgico di una finestra trasparente nella pelle addominale di un topo sopra il colon. Configurazioni simili sono già in uso per consentire sguardi dal vivo nei dettagliati meccanismi interni del cervello, midollo spinale, fegato, polmoni e altri organi. Imaging di un colon dal vivo, però, è una proposta più scivolosa.

Un cervello non si muove molto, ma il colon sì, il che rende difficile ottenere immagini dettagliate fino a una singola cella. Abbiamo sviluppato un sistema magnetico abbastanza forte da stabilizzare il colon in posizione durante l'imaging per ottenere questo livello di risoluzione, ma può essere disattivato rapidamente per consentire al colon di muoversi liberamente."

Xiling Shen, il Professore Associato della Famiglia Hawkins di Ingegneria Biomedica presso la Duke University

L'immobilizzazione del colon per l'imaging è un compito difficile per i metodi tradizionali come la colla o i punti. Nella migliore delle ipotesi possono causare un'infiammazione che rovinerebbe la maggior parte degli esperimenti. Nel peggiore dei casi possono causare ostruzioni, che può uccidere rapidamente il topo studiato.

Per aggirare questo problema, Shen ha sviluppato un dispositivo magnetico che assomiglia molto a una minuscola striscia nasale di metallo e può essere attaccato in sicurezza al colon. Un campo magnetico fa scattare il colon in posizione e lo mantiene stabile durante l'imaging, ma una volta spento, lascia il colon libero di muoversi e funzionare normalmente.

Un organo vitale che ospita gran parte del microbioma dell'apparato digerente, il colon può essere affetto da malattie come le malattie infiammatorie intestinali, disturbi funzionali gastrointestinali e cancro. Svolge inoltre un ruolo fondamentale nella regolazione del sistema immunitario, e può comunicare direttamente con il cervello attraverso i nervi sacrali.

"C'è un grande bisogno di capire meglio il colon, perché può soffrire di così tante malattie e svolge così tanti ruoli con significative implicazioni per la salute, " ha detto Shen. Nello studio, Shen e i suoi colleghi hanno condotto diversi esperimenti di prova del principio che forniscono punti di partenza per future linee di ricerca.

I ricercatori hanno prima colonizzato un colon di topo vivente con batteri E. coli, derivato da pazienti con malattia di Crohn, che era stato etichettato con proteine ​​fluorescenti. I ricercatori hanno poi dimostrato di poter seguire la migrazione, crescita e declino dei batteri per più di tre giorni. Questa capacità potrebbe aiutare i ricercatori a capire non solo come i batteri antagonisti affliggono il colon, Shen dice, ma i ruoli positivi che i probiotici possono svolgere e quali ceppi possono aiutare meglio le persone con disturbi gastrointestinali.

Nel prossimo esperimento, i topi sono stati allevati con diversi tipi di cellule immunitarie fluorescenti. I ricercatori hanno quindi indotto l'infiammazione nel colon e hanno osservato attentamente l'attivazione di queste cellule immunitarie. Shen dice, questo approccio potrebbe essere utilizzato con vari tipi di cellule immunitarie e malattie per ottenere una migliore comprensione di come il sistema immunitario risponde alle sfide.

Shen e i suoi colleghi hanno quindi dimostrato di poter contrassegnare e tracciare le cellule staminali epiteliali del colon associate al cancro del colon-retto durante il trattamento con radiazioni. Hanno anche dimostrato di poter osservare i nervi in ​​tutto il colon rispondere alla stimolazione del nervo sacrale, una terapia emergente per il trattamento della motilità e dei disturbi immunitari come i disturbi funzionali gastrointestinali e il disturbo dell'intestino irritabile.

"Mentre sappiamo che la stimolazione elettrica dei nervi sacrali può alleviare i sintomi di questi disturbi gastrointestinali, al momento non abbiamo idea del perché o di alcun modo per ottimizzare questi trattamenti, " Ha detto Shen. "Essere in grado di vedere come i neuroni del colon rispondono a diverse forme d'onda, le frequenze e le ampiezze di stimolazione saranno inestimabili nel rendere questo approccio un'opzione migliore per più pazienti".

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