Новая человеческая толстая кишка-на-чипе позволяет изучать физиологию слизи in vitro

У нас мутуалистические, но сложные отношения с скоплением микробов в нашем кишечнике, известным как кишечный микробиом. Это сложное сообщество бактерий расщепляет различные компоненты пищи, и высвобождает питательные вещества, такие как витамины, и множество других факторов, которые контролируют функции тканей далеко за пределами кишечного тракта. Тем не мение, огромное количество микробов также представляет угрозу, поскольку они могут вызвать воспаление, который считается причиной многих кишечных заболеваний, включая воспалительное заболевание кишечника, радиационное поражение кишечника, и некоторые виды рака.

Чтобы полезные вещества попадали в просвет кишечника, и в то же время предотвращают контакт кишечных микробов с поверхностью эпителиальной ткани кишечника, специализированные клетки, называемые бокаловидными клетками, непрерывно производят слизь, слизистая слизь, покрывающая всю поверхность кишечника. Известно, что до сих пор слизь сложно изучать:ее структура быстро распадается на удаленных хирургическим путем отделах кишечника. система, наиболее часто используемая для исследования слизи, и ни одна система культивирования in vitro не смогла воссоздать подобный in vivo слой слизи с естественной структурой, наблюдаемой в живом кишечнике вне человеческого тела. Добавляя к этим трудностям, слизь также различается между людьми и другими видами, разные отделы кишечника, и даже разные личности.

Теперь, сосредоточение внимания на толстой или толстой кишке, в которой находится наибольшее количество комменсальных микробов и самый толстый слой слизи, Команда тканевых инженеров из Гарвардского института биологической инженерии Висса разработала микрожидкостное устройство для культивирования толстой кишки на чипе (Colon Chip), покрытое клетками толстой кишки, полученными от пациента, которое спонтанно накапливает слой слизи толщиной, двухслойная структура, и барьерные функции, обычно обнаруживаемые в нормальной толстой кишке человека. Поверхность слизистой оболочки в их модели также реагирует на воспалительный медиатор простагландин E2 (PGE2), вызывая быстрый отек. Их выводы опубликованы в Клеточная и молекулярная гастроэнтерология и гепатология .

<цитата>

Наш подход дает исследователям возможность найти ответы на вопросы о нормальной биологии слизи и слизи, связанной с заболеванием, например, его вклад в воспалительные заболевания и рак кишечника, и сложные взаимодействия хозяина и микробиома. Важно отметить, что мы используем клетки, полученные от пациентов, для выравнивания этих устройств, и поэтому это представляет собой совершенно новый подход к персонализированной медицине, где можно изучить, как слизь функционирует или нарушается у конкретного пациента, и соответственно адаптировать терапию ».

Дональд Ингбер, Доктор медицины, Кандидат наук., Директор-основатель, старший научный сотрудник исследования

Ингбер также является профессором биологии сосудов Гарвардской медицинской школы и программы биологии сосудов в Бостонской детской больнице. а также профессором биоинженерии Гарвардской школы инженерии и прикладных наук Джона А. Полсона. Его команда является частью межведомственного сотрудничества, поддерживаемого грантом Grand Challenge Великобритании по исследованию рака, в котором его команда Wyss исследует, как изменения, связанные с воспалением, способствуют формированию рака. включая рак толстой кишки. Grand Challenge - это амбициозная международная инициатива по исследованию рака, поддержка ведущих мировых групп ученых для решения самых сложных задач в области рака, и давая им возможность пробовать новые подходы в любом масштабе.

Подход команды начинается с клеток толстой кишки, полученных от пациентов из резекций толстой кишки и эндоскопической биопсии, которые сначала выращиваются как «органоиды», крошечные организованные шарики ткани толстой кишки, которые содержат в основном эпителиальные стволовые клетки. После фрагментации органоидов их клетки используются для заселения верхнего из двух параллельных каналов микрожидкостного чипа, разделенных пористой мембраной. Просто путем непрерывной перфузии каналов питательной средой, стволовые клетки толстой кишки превращаются в непрерывный слой и образуют высокофункциональные бокаловидные клетки, которые секретируют слизь.

«Рост клеток на чипе в потоке приводит к тому, что около 15% эпителиальных клеток спонтанно дифференцируются в бокаловидные клетки. Распространены по всему эпителию, они производят слой слизи, подобный in vivo, "сказала первый автор Александра Зонтхаймер-Фелпс, аспирант Фрайбургского университета, Германия, работает в группе Ингбера. "В то же время, другие эпителиальные клетки, которые продолжают делиться, также пополняют популяцию бокаловидных клеток, как в живой толстой кишке, Это означает, что чип можно поддерживать в установившемся режиме более двух недель, что делает его очень полезным для долгосрочных исследований ".

Команда Wyss показала, что эпителий толстой кишки в чипе полностью поляризован с помощью различных маркеров, ограниченных его открытым просветом, сторона, секретирующая слизь, и ее противоположная мембраносвязанная сторона. Его бокаловидные клетки секретируют главный белок слизи - муцин 2 (MUC2), которые при соединении со сложными цепочками молекул сахара, собирается в многомолекулярную сеть или гель, впитывающий воду. «Наш подход фактически создает двухслойную структуру нормальной слизи толстой кишки с внутренним плотным слоем, который, как мы показываем, непроницаем для частиц, имитирующих бактерии, протекающих через канал кишечника, и более рыхлый внешний слой, позволяющий проникать частицам. Этого никогда раньше не делали in vitro, "сказал Зонтхаймер-Фелпс.

Чтобы исследовать функциональность слизи, она и ее сотрудники подвергли чип воздействию медиатора воспаления PGE2. Слизь быстро набухла в течение нескольких минут и независимо от выделения новой слизи. и этот процесс накопления слизи можно визуализировать в живых культурах, рассматривая чипы со стороны при освещении темным полем. Этот динамический ответ можно заблокировать, подавив один конкретный ионный канал, который закачивает ионы в эпителий толстой кишки и пассивно позволяет молекулам воды следовать за ним и, по-видимому, это вызывает набухание слизи при стимуляции такими сигналами, как PGE2.

Слизь долгое время считалась пассивным, хост-барьер, но становится все более очевидным, что виды микробов влияют на его структуру и функции в дополнение к тому, что они питаются углеводами в качестве источника энергии. «Наша система in vitro приближает нас на один шаг к выяснению того, как отдельные виды бактерий и более сложные микробные сообщества могут влиять на слизь и наоборот, а также то, как это сложное взаимодействие влияет на развитие кишечных заболеваний. У нас также есть испытательный стенд для открытия новых терапевтических лекарств и пробиотических стратегий, которые могут предотвратить или обратить вспять эти заболевания », - сказал Ингбер.

• Употребление цельных фруктов может снизить кровяное давление как у мужчин, так и у женщин
• Новая модель сепсиса с поздним началом исследует возможные методы лечения неонатальной инфекции