Ny menneskelig kolon-på-en-brikke muliggjør in vitro-studier av slimfysiologi

Vi har et gjensidig, men komplisert forhold til samlingen av mikrober i tarmen, kjent som tarmmikrobiomet. Dette komplekse bakteriesamfunnet bryter ned forskjellige matkomponenter, og frigjør næringsstoffer som vitaminer og en mengde andre faktorer som styrer funksjoner i vev langt utenfor tarmkanalen. Derimot, det store antallet mikrober utgjør også en trussel da de kan utløse betennelse, som antas å være roten til mange tarmsykdommer, inkludert inflammatorisk tarmsykdom, strålingsindusert tarmskade, og noen kreftformer.

For å tillate opptak av fordelaktige stoffer fra tarmlumen, og samtidig forhindre tarmmikrober i å komme i kontakt med tarmens epitelvevsoverflate, spesialiserte celler som kalles begerceller, produserer kontinuerlig slim, det slimete goo-lignende stoffet som dekker hele tarmoverflaten. Slim har så langt vært notorisk vanskelig å studere:strukturen oppløses raskt i kirurgisk fjernede deler av tarmen, systemet som oftest brukes til å studere slim, og intet in vitro-kultursystem har vært i stand til å rekonstituere et in vivo-lignende slimlag med den naturlige strukturen sett i levende tarm utenfor menneskekroppen. Legger vi til disse vanskelighetene, slim er også forskjellig mellom mennesker og andre arter, forskjellige deler av tarmkanalen, og til og med forskjellige individer.

Nå, med fokus på tykktarmen eller tykktarmen som huser det største antallet kommensale mikrober og har det tykkeste slimlaget, et team av vevsingeniører ved Harvards Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering har utviklet en kolon-on-a-chip (Colon Chip) mikrofluidisk kulturenhet foret med pasientavledede tykktarmsceller som spontant akkumulerer et slimlag med tykkelsen, to-lags struktur, og barrierefunksjoner som vanligvis finnes i normal menneskelig tykktarm. Slimhinneoverflaten i modellen deres reagerer også på den inflammatoriske mediatoren prostaglandin E2 (PGE2) ved å montere en rask hevelsesrespons. Funnene deres er publisert i Cellulær og molekylær gastroenterologi og hepatologi .

Vår tilnærming gir forskere muligheten til å finne svar på spørsmål om normal og sykdomsrelatert slimbiologi, for eksempel dets bidrag til tarmbetennelsessykdommer og kreft, og komplekse vert-mikrobiom-interaksjoner. Viktigere, vi bruker pasientavledede celler til å linjere disse enhetene, og dette representerer derfor en helt ny tilnærming for personlig medisin der det kan være mulig å studere hvordan slim fungerer eller dysfunksjoner hos en bestemt pasient, og å skreddersy terapien deretter. "

Donald Ingber, M.D., Ph.D., Grunnlegger, seniorforsker på studien

Ingber er også Judah Folkman professor i vaskulær biologi ved Harvard Medical School og Vascular Biology Program ved Boston Children's Hospital, i tillegg til professor i bioingeniør ved Harvards John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences. Teamet hans er en del av et multi-institusjonelt samarbeid støttet av et Cancer Research UKs Grand Challenge-stipend der Wyss-teamet hans undersøker hvordan betennelsesrelaterte endringer bidrar til dannelse av kreft, inkludert tykktarmskreft. The Grand Challenge er et ambisiøst internasjonalt kreftforskningsinitiativ, støtte verdensledende forskerteam til å ta fatt på noen av de tøffeste utfordringene innen kreft, og gi dem frihet til å prøve nye tilnærminger i stor skala.

Teamets tilnærming starter med pasientavledede tykktarmsceller fra kolonreseksjoner og endoskopiske biopsier som først vokser som "organoider", bitte små organiserte kuler av tykktarmsvev som hovedsakelig inneholder epiteliale stamceller. Etter fragmentering av organoider, cellene deres brukes til å fylle den øvre av to parallelle kanaler i en mikrofluidisk brikke som er atskilt med en porøs membran. Bare ved å perfusjonere kanalene kontinuerlig med næringsmedium, tykktarms stamceller vokser til et kontinuerlig ark og danner svært funksjonelle begerceller som skiller ut slim.

"Å dyrke cellene på chip under strøm resulterer i at omtrent 15% av epitelcellene spontant differensieres til begerceller. Fordelt gjennom epitelet, disse produserer et in vivo-lignende slimlag, "sa førsteforfatter Alexandra Sontheimer-Phelps, en doktorgradsstudent fra University of Freiburg, Tyskland, jobber i Ingbers gruppe. "Samtidig, andre epitelceller som fortsetter å dele seg, fyller også opp begercellepopulasjonen akkurat som i levende kolon, noe som betyr at brikken kan opprettholdes i steady-state forhold i mer enn to uker, noe som gjør det svært nyttig for langtidsstudier. "

Wyss-teamet viste at tykktarmsepitelet i brikken er fullstendig polarisert med distinkte markører begrenset til lumen-eksponert, slimutskillende side og den motsatte membranbindende siden. Dens begerceller skiller ut det viktigste slimproteinet mucin 2 (MUC2), som når de er knyttet til komplekse kjeder av sukkermolekyler, monteres i et multimolekylært nettverk eller en gel som tar opp vann. "Vår tilnærming produserer faktisk den to-lags strukturen til normalt tykktarmsslim med et indre tett lag som vi viser er ugjennomtrengelig for bakterier som etterligner partikler som strømmer gjennom tarmkanalen, og et mer løst ytre lag som lar partikler komme inn. Dette har aldri blitt oppnådd før in vitro, "sa Sontheimer-Phelps.

For å undersøke funksjonen til slimet, hun og hennes kolleger avslørte brikken for den inflammatoriske mediatoren PGE2. Slimet ble raskt hevet i løpet av minutter og uavhengig av eventuell ny slimutskillelse, og denne prosessen med slimakkumulering kan visualiseres i levende kulturer ved å se flisene fra siden med mørkt feltbelysning. Denne dynamiske responsen kan blokkeres ved å hemme en bestemt ionekanal, som pumper ioner inn i tykktarmsepitelet og passivt lar vannmolekyler følge og tilsynelatende, dette driver slimhevelse når det stimuleres av signaler som PGE2.

Slim har lenge vært antatt å være en passiv, vertsbarriere, men det blir stadig tydeligere at mikrobielle arter påvirker dets struktur og funksjon i tillegg til å mate på karbohydrater som energikilde. "In vitro -systemet vårt bringer oss et skritt nærmere å finne ut hvordan individuelle bakteriearter og mer komplekse mikrobielle samfunn kan påvirke slim og omvendt, så vel som hvordan dette komplekse samspillet påvirker utviklingen av tarmsykdommer. Vi har også nå en testbed for å oppdage nye terapeutiske legemidler og probiotiske strategier som kan forhindre eller reversere disse sykdommene, sa Ingber.

• Å spise hel frukt kan redusere blodtrykket for både menn og kvinner
• Ny modell for sen debut sepsis utforsker potensielle behandlinger for nyfødt infeksjon