Il nuovo colon-on-a-chip umano consente lo studio in vitro della fisiologia del muco

Abbiamo una relazione mutualistica ma complicata con la raccolta di microbi nel nostro intestino noto come microbioma intestinale. Questa complessa comunità di batteri scompone diversi componenti del cibo, e rilascia nutrienti come vitamine e una pletora di altri fattori che controllano le funzioni nei tessuti ben oltre il tratto intestinale. Però, anche il gran numero di microbi rappresenta una minaccia in quanto possono innescare l'infiammazione, che si pensa sia alla base di molte malattie intestinali, comprese le malattie infiammatorie intestinali, danno intestinale indotto da radiazioni, e alcuni tumori.

Per consentire l'assorbimento di sostanze benefiche dal lume intestinale, e allo stesso tempo impedire ai microbi intestinali di entrare in contatto con la superficie del tessuto epiteliale intestinale, cellule specializzate chiamate cellule caliciformi producono continuamente muco, la sostanza appiccicosa viscida che ricopre l'intera superficie intestinale. Il muco finora è stato notoriamente difficile da studiare:la sua struttura si disintegra rapidamente nelle sezioni dell'intestino rimosse chirurgicamente, il sistema più spesso utilizzato per studiare il muco, e nessun sistema di coltura in vitro è stato in grado di ricostituire uno strato di muco simile a quello in vivo con la struttura naturale osservata nell'intestino vivente al di fuori del corpo umano. Aggiungendo a queste difficoltà, muco differisce anche tra gli esseri umani e altre specie, diverse sezioni del tratto intestinale, e anche individui diversi.

Ora, concentrandosi sull'intestino crasso o sul colon che ospita il maggior numero di microbi commensali e ha lo strato di muco più spesso, un team di ingegneri dei tessuti presso il Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering di Harvard ha sviluppato un dispositivo di coltura microfluidica colon-on-a-chip (Colon Chip) rivestito da cellule del colon derivate dal paziente che accumula spontaneamente uno strato di muco con lo spessore, struttura a due strati, e funzioni di barriera tipiche del colon umano normale. La superficie della mucosa nel loro modello risponde anche al mediatore infiammatorio prostaglandina E2 (PGE2) montando una rapida risposta di gonfiore. I loro risultati sono pubblicati in Gastroenterologia ed Epatologia cellulare e molecolare .

Il nostro approccio offre ai ricercatori l'opportunità di trovare risposte a domande sulla biologia del muco normale e associata a malattie, come i suoi contributi alle malattie infiammatorie intestinali e ai tumori, e complesse interazioni ospite-microbioma. È importante sottolineare che usiamo cellule derivate dal paziente per rivestire questi dispositivi e quindi questo rappresenta un approccio completamente nuovo per la medicina personalizzata in cui è possibile studiare come funziona il muco o disfunzioni in un particolare paziente, e adattare la terapia di conseguenza".

Donald Ingber, M.D., dottorato di ricerca, Direttore Fondatore, ricercatore senior dello studio

Ingber è anche Judah Folkman Professor of Vascular Biology presso la Harvard Medical School e il Vascular Biology Program presso il Boston Children's Hospital, nonché Professore di Bioingegneria presso la John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences di Harvard. Il suo team fa parte di una collaborazione multi-istituzionale supportata da una sovvenzione Grand Challenge di Cancer Research UK in cui il suo team Wyss indaga su come i cambiamenti legati all'infiammazione contribuiscono alla formazione di tumori, compresi i tumori del colon. The Grand Challenge è un'ambiziosa iniziativa internazionale di ricerca sul cancro, supportare team di scienziati leader a livello mondiale per affrontare alcune delle sfide più difficili nel cancro, e dando loro la libertà di provare nuovi approcci su larga scala.

L'approccio del team inizia con cellule del colon derivate dal paziente da resezioni del colon e biopsie endoscopiche che vengono prima coltivate come "organoidi", minuscole sfere organizzate di tessuto del colon che contengono principalmente cellule staminali epiteliali. Dopo aver frammentato gli organoidi, le loro cellule sono usate per popolare la parte superiore di due canali paralleli di un chip microfluidico che sono separati da una membrana porosa. Semplicemente perfondendo continuamente i canali con mezzo nutritivo, le cellule staminali del colon crescono in un foglio continuo e formano cellule caliciformi altamente funzionali che secernono muco.

"La crescita delle cellule su chip sotto flusso porta a circa il 15% delle cellule epiteliali che si differenziano spontaneamente in cellule caliciformi. Distribuite in tutto l'epitelio, questi producono uno strato di muco simile al vivo, " ha detto la prima autrice Alexandra Sontheimer-Phelps, uno studente laureato dell'Università di Friburgo, Germania, lavorando nel gruppo di Ingber. "Allo stesso tempo, anche altre cellule epiteliali che continuano a dividersi reintegrano la popolazione delle cellule caliciformi proprio come nel colon vivente, il che significa che il chip può essere mantenuto in condizioni stazionarie per più di due settimane, il che lo rende molto utile per studi a lungo termine."

Il team di Wyss ha mostrato che l'epitelio del colon nel chip è completamente polarizzato con marcatori distinti limitati al suo lume esposto, lato mucosecernente e il suo lato opposto che lega la membrana. Le sue cellule caliciformi secernono la principale proteina del muco mucina 2 (MUC2), che quando è legato a complesse catene di molecole di zucchero, si assembla in una rete multi-molecolare o gel che assorbe acqua. "Il nostro approccio produce in realtà la struttura a due strati del normale muco del colon con uno strato interno denso che mostriamo è impenetrabile alle particelle che imitano i batteri che fluiscono attraverso il canale intestinale, e uno strato esterno più sciolto che consente alle particelle di entrare. Questo non è mai stato realizzato prima in vitro, ", ha detto Sontheimer-Phelps.

Per indagare la funzionalità del muco, lei e i suoi collaboratori hanno esposto il chip al mediatore infiammatorio PGE2. Il muco ha subito un rapido rigonfiamento in pochi minuti e indipendentemente da qualsiasi nuova secrezione di muco, e questo processo di accumulo di muco può essere visualizzato nelle culture viventi osservando i frammenti di lato con illuminazione in campo scuro. Questa risposta dinamica potrebbe essere bloccata inibendo un particolare canale ionico, che pompa ioni nell'epitelio del colon e consente passivamente alle molecole d'acqua di seguire e apparentemente, questo spinge il rigonfiamento del muco quando stimolato da segnali come PGE2.

Il muco è stato a lungo ritenuto un passivo, barriera ospite, ma sta diventando sempre più chiaro che le specie microbiche influenzano la sua struttura e funzione oltre a nutrirsi dei suoi carboidrati come fonte di energia. "Il nostro sistema in vitro ci avvicina di un passo alla comprensione di come singole specie batteriche e comunità microbiche più complesse possono influenzare il muco e viceversa, così come l'impatto di questa complessa interazione sullo sviluppo delle malattie intestinali. Ora abbiamo anche un banco di prova per scoprire nuovi farmaci terapeutici e strategie probiotiche che potrebbero prevenire o invertire queste malattie", ha affermato Ingber.

• Mangiare frutta intera potrebbe ridurre la pressione sanguigna sia per gli uomini che per le donne
• Un nuovo modello per la sepsi a esordio tardivo esplora i potenziali trattamenti per l'infezione neonatale