Menneskelige mikrobiometabolitter forbedrer tykktarmsskade av enterohemoragisk E. coli,

studie viser Det er fortsatt mystisk hvorfor mennesker relativt enkelt blir smittet av noen bakterielle eller virale patogener, mens dyr som har svært like vev og immunfunksjoner ikke gjør det. Denne kløften er også grunnen til at forskere ofte står overfor problemer i arbeidet med å modellere patogene sykdommer i dyremodeller, som mus, og hvorfor medisiner utviklet ved hjelp av denne tilnærmingen ofte mislykkes hos mennesker.

Et slående eksempel på artsspesifikke forskjeller i toleranse for infeksjon kan sees i responsen på enterohemorrhagic E coli (EHEC) bakterier, som er ansvarlig for mer enn 100, 000 infeksjoner per år alene i USA, og årsaken til blodig diaré (reisediaré), kolitt og hemolytisk uremisk syndrom (HUS) - en alvorlig tilstand som får nyrene til å mislykkes etter at de støter på EHECs Shiga -toksin. I årevis har det vært kjent at det tar 100, 000 ganger høyere antall patogene EHEC-bakterier for å infisere mus sammenlignet med mennesker, og at mus ikke utvikler symptomer på sykdommen med mindre dyrene vokser under spesielle bakteriefrie forhold der de mangler et normalt kommensalt tarmmikrobiom.

Et tverrfaglig team av biologiske ingeniører, mikrobiologer, og systembiologer ved Harvards Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering som jobber med instituttets DARPA-støttede "Technologies for Host Resilience" (THoR) -prosjekt, hvis mål det er å avdekke årsakene til toleranse for infeksjon som vises av enkelte individer eller arter, har nå lyktes i å modellere infeksjon av menneskelig tykktarm med EHEC in vitro ved bruk av en mikrofluidisk Organ-on-a-Chip (Organ Chip) kulturenhet. Overraskende, deres tilnærming muliggjorde identifisering av viktige forskjeller mellom metabolittene produsert av de komplekse samfunnene av kommensale bakterier som består av mikrobiomet som er tilstede i musen mot menneskelig tykktarm. De fant at fire metabolitter som produseres på høyere nivåer av tarmmikrobiomet hos mennesker, kan bidra til å forklare den økte følsomheten til menneskelig tykktarm overfor EHEC. Studien ble publisert i Mikrobiom .

"Vi ble motivert av observasjonen at det ofte er enorme forskjeller i følsomhet mellom tarm fra mennesker og mus når de utfordres med det samme patogenet, og tidligere arbeid som har vist at noen av disse forskjellene i toleranse for infeksjon kan forklares med forskjeller i tarmmikrobiomet mellom disse artene, "sa Wyss Institute Founding Director Donald Ingber, M.D., Ph.D., som ledet studien. "For å angripe dette problemet direkte, vi utnyttet vår menneskelige Organ Chip -teknologi og kombinerte den med mikrobielle metabolitter produsert i bioreaktorer, samt metabolomisk analyse, for å få innsikt i det molekylære grunnlaget for denne artsspesifikke forskjellen i følsomhet for EHEC. "Ingber er også Judah Folkman professor i vaskulær biologi ved Harvard Medical School (HMS) 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.

Fordi EHEC først og fremst infiserer det menneskelige tykktarmen, teamet samlet først en Colon Chip ved hjelp av sin mikrofluidiske kulturteknologi og utnyttet deres siste fremskritt i bruk av tarmvevsfragmenter kjent som organoider som mellomprodukter mot generering av et svært funksjonelt tarmepitel som spontant danner fingerlignende fremskrivninger kalt intestinal villi i enheten. I Colon Chip, tykktarmen epitel linjer en av to parallelle kanaler ("intestinal luminal kanal") som er atskilt med en porøs membran belagt med en ekstracellulær matrise (ECM) som celler fortrinnsvis fester seg til. Den motsatte kanalen ("vaskulær kanal") er foret av menneskelige tarmendotelceller som etterligner et blodkar som støtter og kommuniserer med tykktarmsepitelet.

Teamet testet om hele kompleksiteten til oppløselige molekyler produsert av komplekse mus- og menneskelige mikrobiotalesamfunn dyrket i bioreaktorer som etterlignet tyktarmsmiljøet, påvirket EHEC -smittsomheten i tykktarmene på en annen måte. "Det var slående - etter tilsetning av humane mikrobiomspesifikke metabolitter ble menneskelig tykktarmsepitel hardt skadet med store lesjoner som dukket opp der celler døde og løsnet fra vevet, mens det samme menneskelige epitelet som ble utsatt for musemikrobiomspesifikke metabolitter ble mye mindre påvirket, "sa førsteforfatter Alessio Tovaglieri, som utførte sitt utdanningsarbeid på Ingbers team som student ved ETH Zürich i Sveits. "Interessant, de patogene EHEC -bakteriene skadet ikke tarmvevet i fravær av mikrobiometabolitter, og de komplekse metabolittblandingene i seg selv hadde ingen effekt i fravær av EHEC. "

Teamet var i stand til å demonstrere at forskjellene i skader forårsaket av mikrobiommetabolitter hos mennesker og mus ikke skyldtes endringer i inflammatoriske cytokiner, forskjeller i Shiga -toksinproduksjon, eller endringer i EHECs evne til å kolonisere tykktarmsepitelet. For å komme nærmere de faktiske grunnårsakene, de utførte transkriptomisk analyse, analysere endringer i genuttrykk i EHEC -bakteriene ved eksponering for menneskelige og musemikrobiometabolitter og metabolomics -analyse for å identifisere forskjeller i den kjemiske sammensetningen av de to metabolittblandingene.

"Gener som koder for proteiner som virker i EHEC -kjemotaksi og flagellær motilitet scoret høyest blant alle genene som spesifikt er oppregulert av det humane mikrobiometes metabolitter som syntes å forsterke patogenisitet, og, interessant, vi fant ut at EHEC -bakterier utsatt for det humane mikrobiometes metabolitter var mye mer motile, "sa Tovaglieri. Flagellae er de komplekse slanke vedleggene som mange bakterier bruker som motorer for å bevege seg mot matkilder (chemotaxis).

Av 426 metabolitter som var tilstede på forskjellige nivåer i de to metabolittblandingene, en kombinasjon av fire humane mikrobiometabolitter, som alle var forhøyet sammenlignet med nivåene i musemikrobiomet, var tilstrekkelig til å øke EHEC -motiliteten i en tallerken. Viktigere, de var også tilstrekkelige til å konvertere den normalt uskadelige musemikrobiomets metabolittblanding til en som letter skade på tykktarmsvev i den menneskelige Colon Chip -enheten, gjør det like effektivt som det humane mikrobiometes metabolitter. Noen av de samme metabolittene finnes på mye høyere nivåer hos barn som også er kjent for å være mer følsomme for EHEC -infeksjon.

"Dette arbeidet har avdekket potensielle molekylære mål som kan bidra til å lindre lidelse hos pasienter med EHEC hvis vi kunne utvikle måter å undertrykke produksjonen eller forbedre fjerningen hos mennesker. Den samme menneskelige Organ Chip -tilnærmingen kombinert med metabolomics kan bidra til å identifisere andre metabolitter som medierer beskyttende effekter og øke toleransen for andre infeksjoner i fremtiden. Det kan også hjelpe oss med å få ytterligere innsikt i hvorfor enkelte individer er følsomme for infeksjoner mens andre er tolerante, "sa Ingber.

• Forskere identifiserer en mer effektiv behandling for kreft
• Kombinert immunsuppresjon kan være effektivt,