Nieuwe menselijke colon-on-a-chip maakt in vitro studie van slijmfysiologie mogelijk

Onze aanpak biedt onderzoekers de mogelijkheid om antwoorden te vinden op vragen over normale en ziektegerelateerde slijmbiologie, zoals de bijdragen aan darmontstekingsziekten en kankers, en complexe interacties tussen gastheer en microbioom. belangrijk, we gebruiken van de patiënt afgeleide cellen om deze apparaten te bekleden en dus vertegenwoordigt dit een geheel nieuwe benadering voor gepersonaliseerde geneeskunde waarbij het mogelijk kan zijn om te bestuderen hoe slijm functioneert of disfunctioneert bij een bepaalde patiënt, en om de therapie daarop af te stemmen."

Donald Ingber, MD, doctoraat, Oprichtend directeur, senior onderzoeker van het onderzoek

Ingber is ook de Judah Folkman Professor of Vascular Biology aan de Harvard Medical School en het Vascular Biology Program aan het Boston Children's Hospital, evenals hoogleraar bio-engineering aan de John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences van Harvard. Zijn team maakt deel uit van een multi-institutionele samenwerking die wordt ondersteund door een Grand Challenge-beurs van Cancer Research UK, waarin zijn Wyss-team onderzoekt hoe ontstekingsgerelateerde veranderingen bijdragen aan de vorming van kankers, inclusief darmkanker. The Grand Challenge is een ambitieus internationaal kankeronderzoeksinitiatief, het ondersteunen van toonaangevende teams van wetenschappers om enkele van de moeilijkste uitdagingen op het gebied van kanker aan te gaan, en hen de vrijheid te geven om nieuwe benaderingen op grote schaal uit te proberen.

De aanpak van het team begint met patiënt-afgeleide coloncellen van colonresecties en endoscopische biopsieën die eerst worden gekweekt als "organoïden", kleine georganiseerde bolletjes colonweefsel die voornamelijk epitheliale stamcellen bevatten. Na het fragmenteren van de organoïden, hun cellen worden gebruikt om de bovenkant van twee parallelle kanalen van een microfluïdische chip te vullen die worden gescheiden door een poreus membraan. Simpelweg door de kanalen continu te perfuseren met voedingsbodem, de colonstamcellen groeien uit tot een doorlopend vel en vormen zeer functionele slijmbekercellen die slijm afscheiden.

"Door de cellen op de chip onder stroom te laten groeien, resulteert dit in ongeveer 15% van de epitheelcellen die spontaan differentiëren in Goblet-cellen. Verdeeld over het epitheel, deze produceren een in vivo-achtige slijmlaag, " zei eerste auteur Alexandra Sontheimer-Phelps, een afgestudeerde student van de Universiteit van Freiburg, Duitsland, werkzaam in de groep van Ingber. "Tegelijkertijd, andere epitheelcellen die zich blijven delen, vullen ook de Goblet-celpopulatie aan, net als in levende dikke darm, wat betekent dat de chip meer dan twee weken in stabiele omstandigheden kan worden gehouden, wat het zeer nuttig maakt voor studies op langere termijn."

Het Wyss-team toonde aan dat het colonepitheel in de chip volledig gepolariseerd is met verschillende markers die beperkt zijn tot het aan het lumen blootgestelde, slijmafscheidende kant en de tegenoverliggende membraanbindende kant. De slijmbekercellen scheiden het belangrijkste slijmeiwit mucine 2 (MUC2) af, die, wanneer gekoppeld aan complexe ketens van suikermoleculen, assembleert in een multimoleculair netwerk of gel dat water opneemt. "Onze aanpak produceert in feite de tweelaagse structuur van normaal colonslijm met een binnenste dichte laag waarvan we aantonen dat deze ondoordringbaar is voor bacteriën-nabootsende deeltjes die door het darmkanaal stromen, en een meer losse buitenlaag waardoor deeltjes kunnen binnendringen. Dit is nog nooit eerder in vitro bereikt, zei Sontheimer-Phelps.

Om de functionaliteit van het slijm te onderzoeken, zij en haar collega's stelden de chip bloot aan de ontstekingsmediator PGE2. Het slijm onderging binnen enkele minuten een snelle zwelling en onafhankelijk van nieuwe slijmafscheiding, en dit proces van slijmophoping kan in levende culturen worden gevisualiseerd door de chips van de zijkant te bekijken met donkerveldverlichting. Deze dynamische respons kan worden geblokkeerd door een bepaald ionkanaal te remmen, die ionen in het colonepitheel pompt en passief watermoleculen laat volgen en blijkbaar, dit veroorzaakt slijmzwelling wanneer gestimuleerd door signalen zoals PGE2.

Van slijm is lang gedacht dat het een passieve, gastheer barrière, maar het wordt steeds duidelijker dat microbiële soorten hun structuur en functie aantasten, naast het eten van hun koolhydraten als energiebron. "Ons in vitro systeem brengt ons een stap dichter bij het uitzoeken hoe individuele bacteriesoorten en complexere microbiële gemeenschappen slijm kunnen beïnvloeden en vice versa, en hoe dit complexe samenspel de ontwikkeling van darmziekten beïnvloedt. We hebben nu ook een testbed om nieuwe therapeutische geneesmiddelen en probiotische strategieën te ontdekken die deze ziekten kunnen voorkomen of omkeren", aldus Ingber.

• Het eten van heel fruit kan de bloeddruk verlagen voor zowel mannen als vrouwen
• Nieuw model voor late sepsis onderzoekt mogelijke behandelingen voor neonatale infectie