Nyfødt musemodell gir ledetråder til årsaken til ødeleggende tarmsykdom i anemiske preemier

Leger har lenge mistenkt at transfusjon av røde blodlegemer gitt til premature spedbarn med anemi kan sette dem i fare for å utvikle nekrotiserende enterokolitt, eller NEC, en potensielt dødelig inflammatorisk sykdom i tarmene. Derimot, solid bevis for forbindelsen har vært vanskelig å få tak i delvis på grunn av mangel på en praktisk dyremodell som er i stand til å nøyaktig representere hva som skjer fysisk når en baby får NEC.

En laboratoriemus mater sine nyfødte unger som er omtrent på størrelse med et kvarter og veier mindre enn en unse. Et forskerteam ledet av Johns Hopkins Medicine har overvunnet tidligere problemer med å jobbe med mus for å utvikle en modell for å studere en ødeleggende gastrointestinal sykdom som rammer premature babyer med anemi. Kreditt:Jackson Laboratory

Nå, forskere ved Johns Hopkins Medicine rapporterer at de har utviklet den modellen - antatt å være den første i sitt slag - ved bruk av spedbarnsmus, eller valper, som først gjøres anemiske og deretter får blodoverføringer fra nyfødte av en annen musestamme. Den nye metoden, forskerne sier, etterligner hva som skjer når blodoverføringer gis til menneskelige babyer fra en ikke-relatert donor.

En beskrivelse av musemodellen, sammen med betydelige funn og potensielle fordeler ved første bruk, er publisert i en ny avis i tidsskriftet Naturkommunikasjon .

Vi trengte en fungerende levende musemodell for å lære om en blodtransfusjon alene fører til NEC eller skjer det bare hvis transfusjonen gis når anemi er tilstede. "

Akhil Maheshwari, M.D., Professor i pediatri ved Johns Hopkins University School of Medicine, direktør for neonatologi ved Johns Hopkins Children's Center, og seniorforfatter av forskningsoppgaven

Sett hos omtrent 10% til 12% av spedbarn som veier mindre enn 3,5 pounds ved fødselen, NEC er en raskt utviklende gastrointestinal nødssituasjon der bakterier invaderer tykktarmsveggen, forårsaker betennelse som til slutt kan ødelegge sunt vev på stedet. Hvis nok celler blir nekrotisert (drept) til at et hull resulterer i tarmveggen, fekalt materiale kan komme inn i blodet og forårsake livstruende sepsis.

Siden 2004 har Maheshwari sier, forskningsstudier har gjentatte ganger vist at babyer født for tidlig som er alvorlig anemiske - de med en andel røde blodlegemer til totalt blodvolum mellom 20% og 24% ved fødselen - kan utvikle NEC innen 48 timer etter å ha mottatt en transfusjon av røde blodlegemer. Ved sammenligning, American Academy of Pediatrics sier at babyer som er født på sikt normalt har røde blodlegemer mellom 42% og 65%, faller til mellom 31% og 41% ved 1 -årsalderen.

På jakt etter en nyttig og praktisk musemodell, Maheshwari og hans kolleger måtte overvinne et størrelsesproblem.

"Nyfødte musunger er omtrent på størrelse med et kvarter og veier mindre enn en unse, så det er ekstremt vanskelig å fjerne nok blod fra dem til laboratorier å analysere, ”Sier Maheshwari.

For å komme forbi hindringen, et privat selskap for medisinsk diagnostisk utstyr donerte bruk av sitt avanserte blodanalysesystem som bare krever en prøve på 5 mikroliter (5 milliontedels liter) i stedet for de 50 mikroliter - 60% av en musvalps totale blodtilførsel - som de fleste testlaboratorier krever .

Neste, forskerne designet en prosedyre for å indusere alvorlig anemi hos valpene ved å fjerne omtrent halvparten av blodvolumet annenhver dag i 10 dager etter fødselen. Dette reduserte antallet røde blodlegemer til nivåer som tilnærmet var det hos alvorlig anemiske nyfødte babyer.

Sju dager etter fødselen, forskerne introduserte bakterier som hadde blitt isolert og dyrket fra et for tidlig spedbarn med NEC. Endelig, røde blodlegemer ble gitt den 11. dagen etter fødselen.

I løpet av de neste 48 timene, forskerne så etter utvikling av NEC-lignende symptomer i sin eksperimentelle gruppe og tre andre sett med musunger:(1) en kontrollgruppe uten inngrep, (2) en gruppe uten anemi som mottok transfusjoner og (3) en gruppe med anemi, men som ikke ble transfusjonert.

Bare de sterkt anemiske valpene som mottok blodoverføringer viste tarmskade som lignet menneskelig NEC med nekrose, betennelse og separasjon av vev som støtter slimhinnen i tykktarmen. Det neste trinnet var å se om vi kunne finne en mekanisme for hvorfor dette skjedde. "

Akhil Maheshwari, M.D

Undersøker ungenes blod med NEC-lignende tilstander etter at de ble transfusert, forskerne oppdaget at den inneholdt tre komponenter som ikke er sett i blodet til de andre testmusene:(1) et stort antall makrofager, immunceller som oppsluker og fordøyer rusk, bakterier og virus, (2) fritt sirkulerende hemoglobin, de jernbaserte molekylene som normalt transporterer oksygen gjennom kroppen når de er festet til røde blodlegemer, og (3) forhøyede nivåer av betennelsesfremkallende proteiner, indikerer at makrofager hadde blitt aktivert selv uten en biologisk trussel mot tarmen.

Forskerne observerte også at nivåene av haptoglobin, et protein som fjerner fritt hemoglobin fra blodet, var ekstremt lave.

"Disse funnene antyder at anemi reduserer mengden haptoglobin hos nyfødte, forhindre at det frie hemoglobinet som kommer inn via transfusjon fjernes ordentlig som normalt, ”Sier Maheshwari.

Det som tilsynelatende skjer, han sier, er at fritt hemoglobin fester seg til en proteinreseptor på tarmveggen som er det samme stedet som bakterielle giftstoffer binder seg til. Som et resultat, immunsystemet tror feilaktig at tarmen blir angrepet og aktiverer makrofager.

Når immuncellene begynner å fungere, Maheshwari forklarer, de utløser frigjøring av de inflammatoriske proteiner som ses i blodet til anemien, transfuserte mus. "Denne hendelsen starter en dobbel whammy på tarmveggen, " han sier. "Først, makrofagproteinene brenner opp og svekker vevet, gjør dem sårbare, og så, bakterier beveger seg inn og produserer endotoksiner som dreper de enkelte cellene. ”

Med bevis for en sannsynlig mekanisme for å forklare sammenhengen mellom anemi og transfusjon i utviklingen av NEC, forskerne søkte deretter å bekrefte det ved å se om de kunne blokkere to av stadiene, og kanskje, fremme søket etter potensielle terapier.

I en rettssak, vi ga haptoglobin til vår modell anemiske mus før vi transfunderte dem og blokkerte makrofagaktivering, så de utviklet ikke NEC-lignende symptomer. "

Akhil Maheshwari, M.D

I en annen test, nanopartikler som Samuel Wickline, M.D., og hans kolleger ved University of South Florida utviklet ble brukt til å levere et genetisk avbrudd - et RNA -molekyl kjent som et lite forstyrrende RNA, eller siRNA - som blokkerer det kjemiske signalet som forteller makrofager om å begynne å produsere inflammatoriske proteiner. Nanopartiklene ble merket med et fluorescerende fargestoff for å spore bevegelsen og inkluderte en giftfri forbindelse avledet fra honningbi gift.

Maheshwari sier at makrofager i blodet til anemiske musunger oppslukte nanopartiklene og innelukket dem i vakuoler. Bienomderivatet, forklarer han, brøt opp vakuolene slik at siRNA kunne frigjøres inne i makrofager.

Den genetiske signalblokkeren fungerte bra, Wickline sier, beskytter de anemiske musungene mot tarmbetennelse etter transfusjoner av røde blodlegemer.

"Fordi vi viste at de hemmende nanopartiklene med siRNA var i stand til å kontrollere en hovedregulator for betennelse i NEC, kanskje denne teknologien en dag kan brukes for ikke bare å behandle eller forhindre NEC, men andre sykdommer der betennelse spiller en nøkkelrolle som artritt og åreforkalkning, " han sier.

Maheshwari sier at han håper den nye musemodellen og funnene fra den nåværende studien kan brukes til å utvikle biomarkører for blod som kan indikere hvilke menneskelige nyfødte som er mest utsatt for å utvikle NEC.

• Studier viser hvordan cervicovaginal mikrobiom kan fremkalle resistens mot klamydia
• Forskere identifiserer arvelig risiko for mutasjon i kreft i bukspyttkjertelen