Разработанная платформа мыши Intestine Chip может помочь в изучении взаимодействия хозяина и микробиома

Триллионы комменсальных микробов живут на слизистой и эпидермальных поверхностях тела, и твердо установлено, что этот микробиом влияет на толерантность хозяина и чувствительность хозяина к различным патогенам.

Тем не мение, толерантность хозяина к инфекции патогенами развита не у всех организмов одинаково. Например, известно, что микробиом кишечника мышей более эффективно защищает от заражения определенными патогенами, такие как бактерия Salmonella typhimurium, чем микробиом кишечника человека.

Это открывает интересную возможность того, что анализ различий между взаимодействиями хозяина и микробиома у людей и других видов, такие как мыши, и выявление отдельных типов бактерий, которые либо защищают, либо повышают чувствительность к определенным патогенам, может привести к совершенно новым типам терапевтических подходов.

Тем не мение, в то время как состав кишечного микробиома и его влияние на иммунные ответы хозяина хорошо изучены на мышах, невозможно изучить, как микробиом взаимодействует напрямую с эпителиальными клетками, выстилающими кишечник, в строго определенных условиях, и тем самым раскрыть специфические бактериальные штаммы, которые могут вызывать у хозяина устойчивость к инфекционным патогенам.

Теперь, коллектив, возглавляемый директором-основателем Wyss Дональдом Ингбером, Доктор медицины, Кандидат наук. из Гарвардского института биологической инженерии Висса и Денниса Каспера, Доктор медицины Гарвардской медицинской школы (HMS) применил технологию микрожидкостных органов на кристалле (Organ Chip) компании Wyss для моделирования различных анатомических участков кишечника мыши и их симбиоза со сложным живым микробиомом in vitro.

Исследователи обобщили деструктивные эффекты S. typhimurium на поверхность кишечного эпителия в сконструированном чипе толстой кишки мыши. и в сравнительном анализе микробиомов мыши и человека удалось подтвердить, что комменсальная бактерия Enterococcus faecium способствует устойчивости хозяина к инфекции S. typhimurium. Исследование опубликовано в Границы клеточной и инфекционной микробиологии .

Проект был запущен в рамках поддерживаемого DARPA проекта «Технологии устойчивости хоста» (THoR) в Институте Висс, чьей целью было выявить ключевой вклад в толерантность к инфекции путем изучения различий, наблюдаемых у определенных видов животных и людей. Используя человеческий чип толстой кишки, Группа Ингбера показала в предыдущем исследовании, как метаболиты, продуцируемые микробами, полученными из фекалий мыши и человека, имеют различный потенциал для воздействия на восприимчивость к инфекции энтерогеморрагическим патогеном E. coli.

<цитата>

Биомедицинские исследования сильно зависят от животных моделей, таких как мыши, которые, несомненно, имеют огромные преимущества, но не дают возможности изучить нормальные и патологические процессы внутри того или иного органа, например кишечник, крупным планом и в режиме реального времени. Это важное подтверждающее концептуальное исследование с группой Денниса Каспера подчеркивает, что наша разработанная нами платформа Intestine Chip предлагает именно эту возможность и дает возможность изучать взаимодействия хозяина и микробиома с микробиомами разных видов в строго контролируемых условиях in vitro. . "

Дональд Ингбер, Доктор медицины, Кандидат наук, Директор-основатель, Институт биологической инженерии Висса в Гарварде

"Учитывая глубокий уровень характеристики иммунологии мышей, Эта возможность может значительно помочь в продвижении работы исследователей, которые в настоящее время используют этих животных для исследования микробиома и реакции хозяина. Это позволяет им сравнивать свои результаты, которые они получают непосредственно с человеческими кишечными чипами в будущем, так что основное внимание может быть уделено выявлению особенностей реакции хозяина, наиболее актуальной для человека ». Ингбер также является профессором сосудистой биологии Джуды Фолкмана в HMS и Бостонская детская больница, и профессор биоинженерии Гарвардской школы инженерии и прикладных наук Джона А. Полсона.

Разработка платформы мыши Intestine-on-Chip

В своем новом исследовании команда сосредоточилась на кишечном тракте мышей. «Традиционно было чрезвычайно сложно моделировать взаимодействия хозяина и микробиома вне любого организма, поскольку многие бактерии являются строго анаэробными и умирают в нормальных условиях атмосферного кислорода. Технология Organ Chip может воссоздать эти условия, и гораздо легче получить первичные кишечные и иммунные клетки от мышей, чем полагаться на биопсию человека, "сказала первый автор Франческа Газзанига, Кандидат наук., научный сотрудник, работающий между группами Ингбера и Каспера и возглавляющий проект.

Газзанига и ее коллеги выделили кишечные крипты из разных областей кишечного тракта мышей. включая двенадцатиперстную кишку, тощая кишка, подвздошная кишка и двоеточие, провели в своих клетках промежуточную стадию "органоида" в культуре, в которой формируются и растут небольшие фрагменты ткани, которые затем они засевали в один из двух параллельных каналов микрожидкостной перфузии органных чипов Висса, чтобы создать специфичные для региона кишечные чипы.

Второй канал с независимой перфузией имитирует сосудистую сеть, и отделен от первого пористой мембраной, которая обеспечивает обмен питательными веществами, метаболиты, и секретируемые молекулы, которые кишечные эпителиальные клетки используют для связи с сосудистыми и иммунными клетками.

Поиск патогена

Затем команда отточила S. typhimurium как возбудителя. Первый, они ввели патоген в эпителиальный просвет сконструированного чипа толстой кишки мыши и обобщили ключевые особенности, связанные с нарушением целостности кишечной ткани, известные из исследований на мышах, включая нарушение обычно плотных спаек между соседними эпителиальными клетками, снижение выработки слизи, всплеск секреции ключевого воспалительного хемокина (мышиный гомолог человеческого IL-8), и изменения в экспрессии эпителиальных генов. В параллели, они показали, что чип толстой кишки мыши поддерживает рост и жизнеспособность сложных бактериальных консорциумов, обычно присутствующих в микробиомах кишечника мыши и человека.

Объединив эти возможности, исследователи сравнили эффекты конкретных мышей и человеческих микробных консорциумов, которые ранее стабильно поддерживались в кишечнике «гнотобиотических» мышей, которых команда Каспера содержала в стерильных условиях. Собирая сложные микробиомы из стула этих мышей, а затем внесение их в чипсы из толстой кишки, исследователи наблюдали изменчивость от чипа к чипу в составе консорциума, что позволило им связать микробный состав с функциональным воздействием на эпителий хозяина.

«Использование 16-секундного секвенирования дало нам хорошее представление о микробном составе двух консорциумов, и большое количество одного вида, Enterococcus faecium, генерируется только одним из них в чипе Colon Chip, позволила тканям кишечника лучше переносить инфекцию, - сказал Газзанига. - Это прекрасно подтвердило прошлые открытия и подтвердило наш подход как новую платформу для открытий, которую мы теперь можем использовать для исследования механизмов, лежащих в основе этих эффектов, а также вклада жизненно важных иммунных клеток в толерантность хозяина. а также инфекционные процессы с участием других патогенов ».

«Технология микробиоты кишечника мыши обеспечивает уникальный подход к пониманию взаимосвязи между кишечной микробиотой, иммунитет хозяина, и микробный патоген. Эту важную взаимосвязь сложно изучить на живых животных, потому что существует так много неконтролируемых факторов.

Прелесть этой системы в том, что практически все параметры, которые вы хотите изучить, можно контролировать и легко контролировать. Эта система - очень полезный шаг вперед, "сказал Каспер, кто является профессором медицины Уильяма Эллери Ченнинга и профессором иммунологии в HMS.

Исследователи полагают, что их сравнительный подход in vitro может выявить специфические перекрестные связи между патогенами и комменсальными бактериями с кишечными эпителиальными и иммунными клетками. и что выявленные бактерии, повышающие толерантность, могут быть использованы в будущих методах лечения, что может обойти проблему повышения устойчивости патогенных бактериальных штаммов к противомикробным препаратам.

• Модуляция микробиоты и восстановление эубиоза могут помочь обуздать осложнения COVID-19
• Случайные клеточные изменения играют жизненно важную роль в долголетии помимо генетики и окружающей среды.