I metaboliti del microbioma umano aumentano il danno al colon da E. coli enteroemorragico,

spettacoli di studio Rimane misterioso il motivo per cui gli esseri umani vengono infettati da alcuni patogeni batterici o virali in modo relativamente facile, mentre gli animali che hanno tessuti e funzioni immunitarie molto simili non lo fanno. Questo abisso è anche il motivo per cui i ricercatori affrontano spesso problemi nei loro sforzi per modellare malattie patogene in modelli animali, come i topi, e perché i farmaci sviluppati utilizzando questo approccio spesso falliscono negli esseri umani.

Un esempio lampante di differenze specie-specifiche nella tolleranza all'infezione può essere visto nella risposta all'enteroemorragico E. coli (EHEC) batteri, che sono responsabili di più di 100, 000 infezioni all'anno solo negli Stati Uniti, e la causa della diarrea sanguinolenta (diarrea da viaggio), colite e sindrome emolitico uremica (HUS) - una condizione grave che induce i reni a insufficienza dopo aver incontrato la tossina Shiga di EHEC. Da anni si sa che ci vogliono 100, Un numero di migliaia di volte superiore di batteri patogeni EHEC per infettare i topi rispetto agli esseri umani, e che i topi non sviluppano sintomi della malattia a meno che gli animali non vengano cresciuti in condizioni speciali prive di germi in cui mancano di un normale microbioma intestinale commensale.

Un team multidisciplinare di ingegneri biologici, microbiologi, e biologi dei sistemi presso il Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering di Harvard che lavorano al progetto "Technologies for Host Resilience" (THoR) dell'Istituto, supportato dalla DARPA, il cui obiettivo è scoprire le cause della tolleranza alle infezioni mostrate da determinati individui o specie, è ora riuscito a modellare l'infezione del colon umano con EHEC in vitro utilizzando un dispositivo di coltura microfluidica Organ-on-a-Chip (Organ Chip). Sorprendentemente, il loro approccio ha consentito l'identificazione delle differenze chiave tra i metaboliti prodotti dalle complesse comunità di batteri commensali che compongono il microbioma presente nel topo rispetto al colon umano. Hanno scoperto che quattro metaboliti prodotti a livelli più elevati dal microbioma intestinale umano possono aiutare a spiegare la maggiore sensibilità del colon umano nei confronti dell'EHEC. Lo studio è stato pubblicato su microbioma .

"Siamo stati motivati ​​dall'osservazione che spesso ci sono enormi differenze di sensibilità tra l'intestino umano e quello del topo quando vengono sfidati con lo stesso agente patogeno, e lavori passati che hanno dimostrato che alcune di queste differenze nella tolleranza alle infezioni possono essere spiegate dalle differenze nel microbioma intestinale tra queste specie, ", ha affermato il direttore fondatore del Wyss Institute, Donald Ingber, M.D., dottorato di ricerca, che ha condotto lo studio. "Per attaccare direttamente questo problema, abbiamo sfruttato la nostra tecnologia Human Organ Chip e l'abbiamo combinata con metaboliti microbici prodotti nei bioreattori, così come l'analisi metabolomica, per ottenere informazioni sulle basi molecolari di questa differenza specie-specifica nella sensibilità all'EHEC." Ingber è anche Judah Folkman Professor of Vascular Biology presso la Harvard Medical School (HMS) 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.

Poiché l'EHEC infetta principalmente il colon umano, il team ha prima assemblato un Colon Chip utilizzando la sua tecnologia di coltura microfluidica e sfruttando i recenti progressi nell'utilizzo di frammenti di tessuto intestinale noti come organoidi come intermedi verso la generazione di un epitelio intestinale altamente funzionale che forma spontaneamente proiezioni simili a dita chiamate villi intestinali nel dispositivo. Nel chip del colon, l'epitelio del colon riveste uno dei due canali paralleli (il "canale luminale intestinale") che sono separati da una membrana porosa ricoperta da una matrice extracellulare (ECM) alla quale le cellule aderiscono preferenzialmente. Il canale opposto (il "canale vascolare") è rivestito da cellule endoteliali intestinali umane che imitano un vaso sanguigno che sostiene e comunica con l'epitelio del colon.

Il team ha testato se l'intera complessità delle molecole solubili prodotte da complesse comunità microbiche umane e di topo coltivate in bioreattori che imitavano l'ambiente dell'intestino crasso influenzasse in modo diverso l'infettività dell'EHEC nei Colon Chips umani. "È stato sorprendente:dopo l'aggiunta di metaboliti specifici del microbioma umano, l'epitelio del colon umano è stato gravemente ferito con grandi lesioni che sono apparse dove le cellule sono morte e si sono staccate dal tessuto, mentre lo stesso epitelio umano esposto a metaboliti specifici del microbioma di topo era molto meno colpito, " disse il primo autore Alessio Tovaglieri, che ha svolto il suo lavoro di laurea nel team di Ingber come studente presso l'ETH di Zurigo in Svizzera. "Interessante, i batteri patogeni EHEC non hanno danneggiato il tessuto del colon in assenza di metaboliti del microbioma, e le stesse miscele di metaboliti complesse non hanno avuto alcun effetto in assenza di EHEC."

Il team è stato in grado di dimostrare che le differenze nelle lesioni provocate dai metaboliti del microbioma umano e del topo non erano dovute a cambiamenti nelle citochine infiammatorie, differenze nella produzione della tossina Shiga, o alterazioni nella capacità di EHEC di colonizzare l'epitelio del colon. Per avvicinarsi alle reali cause profonde, hanno eseguito analisi trascrittomiche, analisi dei cambiamenti nell'espressione genica nei batteri EHEC in seguito all'esposizione ai metaboliti del microbioma umano e del topo e analisi metabolomica per identificare le differenze nella composizione chimica delle due miscele di metaboliti.

"I geni che codificano per le proteine ​​che agiscono nella chemiotassi EHEC e nella motilità flagellare hanno ottenuto il punteggio più alto tra tutti i geni specificamente sovraregolati dai metaboliti del microbioma umano che sembravano aumentare la patogenicità, e, interessante, abbiamo scoperto che i batteri EHEC esposti ai metaboliti del microbioma umano erano molto più mobili, " disse Tovaglieri. I flagelli sono le complesse appendici sottili che molti batteri usano come motori per spostarsi verso le fonti di cibo (chemiotassi).

Su 426 metaboliti che erano presenti a livelli diversi nelle due miscele di metaboliti, una combinazione di quattro metaboliti del microbioma umano, che erano tutti elevati rispetto ai loro livelli nel microbioma del topo, era sufficiente per aumentare la motilità EHEC in un piatto. È importante sottolineare che erano anche sufficienti per convertire la miscela di metaboliti del microbioma di topo normalmente innocuo in una che facilita il danno al tessuto del colon nel dispositivo Colon Chip umano, rendendolo efficace quanto i metaboliti del microbioma umano. Alcuni di questi stessi metaboliti si trovano a livelli molto più alti nei bambini che sono anche noti per essere più sensibili all'infezione da EHEC.

"Questo lavoro ha scoperto potenziali bersagli molecolari che potrebbero aiutare ad alleviare la sofferenza nei pazienti con EHEC se potessimo sviluppare modi per sopprimere la loro produzione o migliorare la loro rimozione negli esseri umani. Lo stesso approccio umano Organ Chip combinato con la metabolomica potrebbe aiutare a identificare altri metaboliti che mediano effetti protettivi e aumentare la tolleranza ad altre infezioni in futuro. Può anche aiutarci a comprendere meglio perché alcuni individui sono sensibili alle infezioni mentre altri sono tolleranti, " ha detto Inger.

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