En ny enhet for modellering av tarmens komplekse mikrobiom -miljø

Flere tusen bakteriestammer lever i den menneskelige tarmen. Noen av disse er forbundet med sykdom, mens andre har gunstige effekter på menneskers helse. Å finne ut den nøyaktige rollen til hver av disse bakteriene kan være vanskelig, fordi mange av dem ikke kan dyrkes i laboratoriestudier med menneskelig vev.

Denne vanskeligheten er spesielt uttalt for arter som ikke kan leve i oksygenrike miljøer. Derimot, MIT biologiske og mekaniske ingeniører har nå designet en spesialisert enhet der de kan dyrke de oksygenintolerante bakteriene i vev som replikerer slimhinnen i tykktarmen, slik at de kan overleve i opptil fire dager.

Vi syntes det var veldig viktig å bidra med et verktøy for samfunnet som kan brukes i dette ekstreme tilfellet. Vi viste at du kan vokse disse veldig strevsomme organismer, og vi var i stand til å studere effekten de har på det menneskelige tykktarmen. "

Linda Griffith, Ingeniørhøyskolen Professor i undervisningsinnovasjon i MITs avdeling for biologisk ingeniørfag

Ved å bruke dette systemet, forskerne viste at de kunne vokse en bakteriestamme kalt Faecalibacterium prausnitzii, som lever i menneskets tarm og beskytter mot betennelse. De viste også at disse bakteriene, som ofte reduseres hos pasienter med Crohns sykdom, ser ut til å utøve mange av deres beskyttende effekter gjennom frigjøring av en fettsyre som kalles butyrat.

Griffith og David Trumper, en MIT -professor i maskinteknikk, er seniorforfatterne av studien, som vises i dagboken Med . MIT postdocs Jianbo Zhang og Yu-Ja Huang er hovedforfattere av avisen.

Oksygenfølsomhet

Det komplekse mikrobiom -miljøet i tarmene er vanskelig å modellere ved bruk av dyr som mus, delvis fordi mus spiser et helt annet kosthold enn mennesker, Sier Griffith.

"Vi har lært enormt mye av mus og andre dyremodeller, men det er mange forskjeller, spesielt når det gjelder tarmmikrobiomet, " hun sier.

De fleste bakteriene som lever i tarmene er anaerobe, betyr at de ikke trenger oksygen for å overleve. Noen av disse bakteriene tåler lave nivåer av oksygen, mens andre, som for eksempel F. prausnitzii , kan ikke overleve oksygeneksponering, noe som gjør det vanskelig å studere dem i et laboratorium. Noen forskere har designet enheter der de kan dyrke menneskelige tykktarmsceller sammen med bakterier som tåler lave nivåer av oksygen, men disse fungerer ikke bra for F. prausnitzii og andre svært oksygenintolerante mikrober.

For å overvinne dette, MIT -teamet designet en enhet som lar dem nøyaktig kontrollere oksygennivået i hver del av systemet. Enheten deres inneholder en kanal som er belagt med celler fra den menneskelige slimhinnebarrieren i tykktarmen. Under disse cellene, næringsstoffer pumpes inn for å holde cellene i live. Dette bunnlaget er oksygenrikt, men oksygenkonsentrasjonen synker mot toppen av slimhinnecellelaget, på samme måte som det som skjer i det indre av tykktarmen.

Akkurat som de gjør i det menneskelige tykktarmen, barrierercellene i kanalen skiller ut et tett slimlag. MIT -teamet viste det F. prausnitzii kan danne skyer av celler i det ytre laget av dette slimet og overleve der i opptil fire dager, i et miljø som holdes oksygenfritt av væske som strømmer over det. Denne væsken inneholder også næringsstoffer for mikrober.

Ved å bruke dette systemet, forskerne var i stand til å vise det F. prausnitzii påvirker celleveier involvert i betennelse. De observerte at bakteriene produserer en kortkjedet fettsyre kalt butyrat, som tidligere har vist seg å redusere betennelse. Etter at butyratnivået steg, slimhinnecellene viste en reduksjon i aktiviteten til en bane kalt NF kappa B. Denne reduksjonen beroliger betennelse.

"Alt i alt, denne veien er redusert, som virkelig ligner det folk har sett hos mennesker, "Zhang sier." Det ser ut til at bakteriene desensibiliserer pattedyrcellene for ikke å overreagere på farene i det ytre miljøet, så betennelsesstatusen blir roet ned av bakteriene. "

Pasienter med Crohns sykdom har ofte reduserte nivåer av F. prausnitzii , og mangelen på disse bakteriene antas å bidra til overaktiv betennelse hos disse pasientene.

Da forskerne la til butyrat i systemet, uten bakterier, det genererte ikke alle effektene de så da bakteriene var tilstede. Dette antyder at noen av bakteriens effekter kan utøves gjennom andre mekanismer, som forskerne håper å undersøke nærmere.

Mikrober og sykdom

Forskerne planlegger også å bruke systemet sitt til å studere hva som skjer når de legger til andre bakteriearter som antas å spille en rolle i Crohns sykdom, å prøve å utforske effekten av hver art ytterligere.

De planlegger også en studie, jobber med Alessio Fasano, divisjonssjef for pediatrisk gastroenterologi og ernæring ved Massachusetts General Hospital, å vokse slimhinnevev fra pasienter med cøliaki og andre gastrointestinale lidelser. Dette vevet kan deretter brukes til å studere mikrobeindusert betennelse i celler med ulik genetisk bakgrunn.

"Vi håper å få nye data som viser hvordan mikrober og betennelse fungerer med vertens genetiske bakgrunn, for å se om det kan være mennesker som har en genetisk følsomhet for at mikrober forstyrrer slimhinnebarrieren litt mer enn andre mennesker, "Sier Griffith.

Hun håper også å bruke enheten til å studere andre typer slimhinnebarrierer, inkludert de i den kvinnelige reproduktive kanalen, som livmorhalsen og endometrium.

• Studier finner bevis på tarmdysbiose hos mennesker med Huntingtons sykdom
• Studien undersøker spesifikke risikoer for magekreft blant etniske populasjoner