Een nieuw apparaat voor het modelleren van de complexe microbioomomgeving van de menselijke darm

We dachten dat het erg belangrijk was om een ​​tool bij te dragen aan de gemeenschap die voor dit extreme geval kan worden gebruikt. We hebben laten zien dat je deze zeer veeleisende organismen kunt kweken, en we waren in staat om de effecten die ze hebben op de menselijke dikke darm te bestuderen."

Linda Griffith, School of Engineering Professor of Teaching Innovation in MIT's Department of Biological Engineering

Met behulp van dit systeem, de onderzoekers toonden aan dat ze een bacteriestam konden kweken genaamd Faecalibacterium prausnitzii, die in de menselijke darm leeft en beschermt tegen ontstekingen. Ze toonden ook aan dat deze bacteriën, die vaak verminderd zijn bij patiënten met de ziekte van Crohn, lijken veel van hun beschermende effecten uit te oefenen door de afgifte van een vetzuur dat butyraat wordt genoemd.

Griffith en David Trumper, een MIT-hoogleraar werktuigbouwkunde, zijn de senior auteurs van de studie, die vandaag in het tijdschrift verschijnt Med . MIT-postdocs Jianbo Zhang en Yu-Ja Huang zijn de hoofdauteurs van het artikel.

Zuurstofgevoeligheid

De complexe microbioomomgeving van de menselijke darm is moeilijk te modelleren met dieren zoals muizen, deels omdat muizen een heel ander dieet eten dan mensen, zegt Griffith.

"We hebben enorm veel geleerd van muizen en andere diermodellen, maar er zijn veel verschillen vooral als het gaat om het darmmicrobioom, " ze zegt.

De meeste bacteriën die in de menselijke darm leven, zijn anaëroob, wat betekent dat ze geen zuurstof nodig hebben om te overleven. Sommige van deze bacteriën kunnen een laag zuurstofgehalte verdragen, terwijl anderen, zoals F. prausnitzi , kan blootstelling aan zuurstof niet overleven, wat het moeilijk maakt om ze in een laboratorium te bestuderen. Sommige onderzoekers hebben apparaten ontworpen waarin ze menselijke coloncellen kunnen laten groeien samen met bacteriën die lage zuurstofniveaus verdragen, maar deze werken niet goed voor F. prausnitzi en andere zeer zuurstof-intolerante microben.

Om dit te overwinnen, het MIT-team ontwierp een apparaat waarmee ze de zuurstofniveaus in elk deel van het systeem nauwkeurig kunnen regelen. Hun apparaat bevat een kanaal dat is bedekt met cellen van de menselijke slijmvliesbarrière van de dikke darm. Onder deze cellen voedingsstoffen worden naar binnen gepompt om de cellen in leven te houden. Deze onderlaag is zuurstofrijk, maar de zuurstofconcentratie neemt af naar de top van de mucosale cellaag, vergelijkbaar met wat er gebeurt in het binnenste van de menselijke dikke darm.

Net zoals ze doen in de menselijke dikke darm, de barrièrecellen in het kanaal scheiden een dichte laag slijm af. Het MIT-team toonde aan dat: F. prausnitzi kan wolken van cellen vormen in de buitenste laag van dit slijm en daar tot vier dagen overleven, in een omgeving die zuurstofvrij wordt gehouden door vloeistof die er doorheen stroomt. Deze vloeistof bevat ook voedingsstoffen voor de microben.

Met behulp van dit systeem, konden de onderzoekers aantonen dat F. prausnitzi heeft wel invloed op celroutes die betrokken zijn bij ontstekingen. Ze merkten op dat de bacteriën een vetzuur met een korte keten produceren dat butyraat wordt genoemd, waarvan eerder is aangetoond dat het ontstekingen vermindert. Nadat het butyraatgehalte was gestegen, de mucosale cellen vertoonden een vermindering van de activiteit van een route die NF kappa B wordt genoemd. Deze vermindering kalmeert de ontsteking.

"Algemeen, deze weg is verkleind, wat echt lijkt op wat mensen bij mensen hebben gezien, " zegt Zhang. "Het lijkt erop dat de bacteriën de zoogdiercellen ongevoelig maken om niet overdreven te reageren op de gevaren in de buitenomgeving, dus de ontstekingsstatus wordt gekalmeerd door de bacteriën."

Patiënten met de ziekte van Crohn hebben vaak verminderde niveaus van F. prausnitzi , en het ontbreken van die bacteriën wordt verondersteld bij te dragen aan de overactieve ontsteking die bij die patiënten wordt gezien.

Toen de onderzoekers butyraat aan het systeem toevoegden, zonder bacteriën, het genereerde niet alle effecten die ze zagen toen de bacteriën aanwezig waren. Dit suggereert dat sommige effecten van de bacteriën via andere mechanismen kunnen worden uitgeoefend, die de onderzoekers hopen verder te onderzoeken.

Microben en ziekten

De onderzoekers zijn ook van plan om hun systeem te gebruiken om te bestuderen wat er gebeurt als ze andere soorten bacteriën toevoegen waarvan wordt aangenomen dat ze een rol spelen bij de ziekte van Crohn. om de effecten van elke soort verder te onderzoeken.

Ze plannen ook een studie, werken met Alessio Fasano, het afdelingshoofd van pediatrische gastro-enterologie en voeding in het Massachusetts General Hospital, om slijmvliesweefsel te laten groeien van patiënten met coeliakie en andere gastro-intestinale stoornissen. Dit weefsel zou vervolgens kunnen worden gebruikt om door microben veroorzaakte ontstekingen te bestuderen in cellen met verschillende genetische achtergronden.

"We hopen nieuwe gegevens te krijgen die laten zien hoe de microben en de ontsteking werken met de genetische achtergrond van de gastheer, om te zien of er mensen zouden kunnen zijn die een genetische gevoeligheid hebben voor het hebben van microben die iets meer interfereren met de slijmvliesbarrière dan andere mensen, ' zegt Griffel.

Ze hoopt het apparaat ook te gebruiken om andere soorten mucosale barrières te bestuderen, inclusief die van het vrouwelijke voortplantingsstelsel, zoals de baarmoederhals en het endometrium.

• Studie vindt bewijs van darmdysbiose bij mensen met de ziekte van Huntington
• Studie onderzoekt specifieke risico's op maagkanker bij etnische populaties