Konstruert mus Intestine Chip-plattform for mus kan hjelpe til med å studere interaksjoner mellom vert og mikrobiomer

Billioner av kommensale mikrober lever på slimhinner og epidermale overflater i kroppen, og det er fastslått at dette mikrobiomet påvirker vertens toleranse og følsomhet for verten for en rekke patogener.

Derimot, vertstoleranse for infeksjon med patogener er ikke like utviklet i alle organismer. For eksempel, det er kjent at tarmmikrobiomet til mus beskytter mer effektivt mot infeksjon med visse patogener, slik som bakterien Salmonella typhimurium, enn det menneskelige tarmmikrobiomet.

Dette øker den interessante muligheten for at analyse av forskjeller mellom vert-mikrobiom-interaksjoner hos mennesker og andre arter, som mus, og identifisere individuelle typer bakterier som enten beskytter eller sensibiliserer mot visse patogener, kan føre til helt nye typer terapeutiske tilnærminger.

Derimot, mens tarmmikrobiomsammensetningen og dens effekt på vertsimmunresponsene har blitt godt undersøkt hos mus, det er ikke mulig å studere hvordan mikrobiomet interagerer direkte med epitelcellene i tarmen under svært definerte forhold, og derved avdekke spesifikke bakteriestammer som kan indusere vertstoleranse overfor smittsomme patogener.

Nå, et samarbeidsteam ledet av Wyss Founding Director Donald Ingber, M.D., Ph.D. ved Harvards Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering og Dennis Kasper, MD ved Harvard Medical School (HMS) har utnyttet Wyss's microfluidic Organs-on-Chip (Organ Chip) teknologi for å modellere de forskjellige anatomiske delene av musetarmen og deres symbiose med et komplekst levende mikrobiom in vitro.

Forskerne rekapitulerte de destruktive effektene av S. typhimurium på tarmens epiteloverflate i en konstruert musekolonchip, og i en komparativ analyse av mus og humane mikrobiomer var i stand til å bekrefte den kommensale bakterien Enterococcus faecium bidrar til vertstoleranse mot S. typhimurium -infeksjon. Studien er publisert i Grenser i mobil- og infeksjonsmikrobiologi .

Prosjektet ble startet under et DARPA-støttet "Technologies for Host Resilience" (THoR) -prosjekt ved Wyss Institute, hvis mål det var å avdekke viktige bidrag til toleranse for infeksjon ved å studere forskjeller observert hos visse dyrearter og mennesker. Ved hjelp av en menneskelig tykktarm, Ingbers gruppe hadde vist i en tidligere studie hvordan metabolitter produsert av mikrober avledet fra mus og menneskelig avføring har ulikt potensial for å påvirke mottakeligheten for infeksjon med et enterohemoragisk E. coli -patogen.

Biomedisinsk forskning er sterkt avhengig av dyremodeller som mus, som utvilsomt har enorme fordeler, men gir ikke en mulighet til å studere normale og patologiske prosesser i et bestemt organ, som tarmen, nærbilde og i sanntid. Denne viktige proof-of-concept-studien med Dennis Kaspers gruppe fremhever at vår konstruerte mus Intestine Chip-plattform tilbyr akkurat denne muligheten og gir muligheten til å studere vert-mikrobiominteraksjoner med mikrobiomer fra forskjellige arter under svært kontrollerbare forhold in vitro . "

Donald Ingber, M.D, Ph.D, Grunnlegger, Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering ved Harvard

"Gitt det dype karakteriseringsnivået for musimmunologi, denne evnen kan i stor grad bidra til å fremme arbeidet til forskere som for tiden bruker disse dyrene til å forske på mikrobiom og responser fra vertene. Det gjør dem i stand til å sammenligne resultatene de får direkte med menneskelige tarmbrikker i fremtiden, slik at fokus kan være på å identifisere trekk ved vertsrespons som er mest relevante for mennesker. "Ingber er også Judah Folkman professor i vaskulærbiologi ved HMS og Boston barnesykehus, og professor i bioingeniør ved Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences.

Utvikle en mus Intestine-on-Chip-plattform

I deres nye studie, teamet fokuserte på musens tarmkanal. "Det har tradisjonelt vært ekstremt vanskelig å modellere vert-mikrobiom-interaksjoner utenfor enhver organisme, ettersom mange bakterier er strengt anaerobe og dør under normale atmosfæriske oksygenforhold. Organ Chip-teknologi kan gjenskape disse forholdene, og det er mye lettere å skaffe primære tarm- og immunceller fra mus enn å måtte stole på menneskelige biopsier, "sa førsteforfatter Francesca Gazzaniga, Ph.D., en postdoktor som jobber mellom Ingbers og Kaspers grupper og leder prosjektet.

Gazzaniga og hennes kolleger isolerte tarmkrypter fra forskjellige regioner i musens tarmkanal, inkludert tolvfingertarmen, jejunum, ileum, og tykktarm, tok cellene sine gjennom et mellomliggende "organoid" trinn i kulturen der små vevsfragmenter dannes og vokser, som de deretter podet inn i en av to parallelle mikrofluidisk perfusjonerte kanaler i Wyss 'Organ Chips for å lage regionspesifikke Intestine Chips.

Den andre uavhengig perfunderte kanalen etterligner blodkarene, og er atskilt fra den første med en porøs membran som tillater utveksling av næringsstoffer, metabolitter, og utskilte molekyler som tarmepitelceller bruker til å kommunisere med vaskulære og immunceller.

Hjem inn på patogenet

Teamet finpusset deretter S. typhimurium som et patogen. Først, de introduserte patogenet i epitelelumen i den konstruerte musen Colon Chip og rekapitulerte de viktigste egenskapene knyttet til nedbrytning av tarmvevsintegritet kjent fra musestudier, inkludert avbrudd av normalt tette vedheft mellom epitelceller i nærheten, redusert slimproduksjon, en økning i utskillelse av et sentralt inflammatorisk kjemokin (musens homolog for humant IL-8), og endringer i epitelgenuttrykk. Parallelt, de viste at Colon Chip -musen støttet veksten og levedyktigheten til komplekse bakteriekonsortier som normalt finnes i mus- og humane tarmmikrobiomer.

Å sette disse evnene sammen, forskerne sammenlignet effekten av spesifikke mus- og humane mikrobielle konsortier som tidligere hadde blitt holdt stabilt i tarmen til 'gnotobiotiske' mus som var plassert i bakteriefrie forhold av Kasper-teamet. Ved å samle komplekse mikrobiomer fra avføringen til musene, og deretter inokulere dem i tykktarmen, forskerne observerte variasjon fra chip til chip i konsortiesammensetning, som gjorde dem i stand til å relatere mikrobesammensetning til funksjonelle effekter på vertsepitelet.

"Bruk av sekvensering av 16 -tall ga oss en god følelse av de mikrobielle sammensetningene til de to konsortiene, og høyt antall av en individuell art, Enterococcus faecium, generert av bare én av dem i Colon Chip, tillot tarmvevet å tolerere infeksjonen bedre, "sa Gazzaniga." Dette bekreftet pent tidligere funn og validerte vår tilnærming som en ny oppdagelsesplattform som vi nå kan bruke til å undersøke mekanismene som ligger til grunn for disse effektene, så vel som bidraget fra vitale immuncellebidrag til vertstoleranse, så vel som smittsomme prosesser som involverer andre patogener. "

"Musetarmen på en chipteknologi gir en unik tilnærming for å forstå forholdet mellom tarmmikrobiota, vertsimmunitet, og et mikrobielt patogen. Denne viktige sammenhengen er utfordrende å studere hos det levende dyret fordi det er så mange ukontrollerbare faktorer.

Det fine med dette systemet er at i hovedsak alle parametere du ønsker å studere er kontrollerbare og lett kan overvåkes. Dette systemet er et veldig nyttig skritt fremover, "sa Kasper, som er William Ellery Channing professor i medisin og professor i immunologi ved HMS.

Forskerne mener at deres komparative in vitro-tilnærming kan avdekke spesifikk kryssprat mellom patogener og kommensale bakterier med tarmepitel- og immunceller, og at identifiserte toleransehevende bakterier kan brukes i fremtidige behandlinger, som kan omgå problemet og øke antimikrobiell resistens av patogene bakteriestammer.

• Mikrobiotamodulering og reetablering av eubiose kan bidra til å dempe COVID-19-komplikasjoner
• Tilfeldige cellulære endringer spiller en avgjørende rolle i levetiden utover genetikk og miljø