Метаболиты микробиома человека усиливают повреждение толстой кишки энтерогеморрагической кишечной палочкой,

исследование показывает Остается загадкой, почему люди относительно легко заражаются некоторыми бактериальными или вирусными патогенами, а животные с очень похожими тканями и иммунными функциями - нет. Эта пропасть также является причиной того, что исследователи часто сталкиваются с проблемами при моделировании патогенных заболеваний на животных моделях. такие как мыши, и почему лекарства, разработанные с использованием этого подхода, часто не работают у людей.

Яркий пример видоспецифических различий в толерантности к инфекции можно увидеть в ответе на энтерогеморрагическую реакцию. Кишечная палочка (EHEC) бактерии, которые несут ответственность более 100, 000 инфекций в год только в США, и причина кровавой диареи (диарея во время путешествий), колит и гемолитико-уремический синдром (ГУС) - серьезное заболевание, которое вызывает отказ почек после контакта с токсином Шига EHEC. В течение многих лет было известно, что требуется 100, В 000 раз большее количество патогенных бактерий EHEC, заражающих мышей, по сравнению с людьми, и что у мышей не развиваются симптомы заболевания, если животные не выращиваются в специальных стерильных условиях, в которых у них отсутствует нормальный комменсальный микробиом кишечника.

Многопрофильная команда инженеров-биологических специалистов, микробиологи, и системные биологи из Гарвардского института биологической инженерии Висса, работающие над проектом «Технологии устойчивости хозяев» (THoR), поддерживаемым DARPA, чья цель состоит в том, чтобы выявить причины толерантности к инфекции, проявляемой определенными людьми или видами, теперь удалось смоделировать инфицирование кишечника человека EHEC in vitro с помощью микрожидкостного устройства для культивирования «орган на чипе» (Organ Chip). Удивительно, их подход позволил идентифицировать ключевые различия между метаболитами, продуцируемыми сложными сообществами комменсальных бактерий, которые составляют микробиом, присутствующий в толстой кишке мыши и человека. Они обнаружили, что четыре метаболита, которые продуцируются на более высоких уровнях микробиомом кишечника человека, могут помочь объяснить повышенную чувствительность толстой кишки человека к EHEC. Исследование опубликовано в Микробиом .

«Мы были мотивированы наблюдением, что часто наблюдаются огромные различия в чувствительности кишечника человека и мыши при заражении одним и тем же патогеном, и предыдущая работа, которая показала, что некоторые из этих различий в толерантности к инфекции можно объяснить различиями в микробиоме кишечника между этими видами, "сказал директор-основатель Wyss Institute Дональд Ингбер, Доктор медицины, Кандидат наук., кто руководил исследованием. "Чтобы напрямую заняться этой проблемой, мы использовали нашу технологию человеческого органического чипа и объединили ее с микробными метаболитами, производимыми в биореакторах, а также метаболомный анализ, чтобы получить представление о молекулярной основе этой видоспецифической разницы в чувствительности к EHEC ». Ингбер также является профессором биологии сосудов Гарвардской медицинской школы (HMS) и программы биологии сосудов Бостонской детской больницы. а также профессором биоинженерии Гарвардской школы инженерии и прикладных наук Джона А. Полсона.

Поскольку EHEC в первую очередь поражает толстую кишку человека, команда впервые собрала чип толстой кишки, используя свою технологию микрожидкостного культивирования и использовав свои недавние достижения в использовании фрагментов ткани кишечника, известных как органоиды, в качестве промежуточных продуктов для создания высокофункционального кишечного эпителия, который спонтанно образует в устройстве пальцевидные выступы, называемые кишечными ворсинками. В чипе толстой кишки эпителий толстой кишки выстилает один из двух параллельных каналов («канал просвета кишечника»), которые разделены пористой мембраной, покрытой внеклеточным матриксом (ЕСМ), к которому клетки преимущественно прикрепляются. Противоположный канал («сосудистый канал») выстлан эндотелиальными клетками кишечника человека, которые имитируют кровеносный сосуд, поддерживающий эпителий толстой кишки и сообщающийся с ним.

Команда проверила, влияет ли полная сложность растворимых молекул, продуцируемых сложными микробиотическими сообществами мышей и людей, культивируемых в биореакторах, имитирующих среду толстого кишечника, на инфекционность EHEC в чипах толстой кишки человека. «Это было поразительно - после добавления метаболитов, специфичных для микробиома человека, эпителий толстой кишки человека был сильно поврежден с появлением крупных повреждений, в которых клетки умирали и отделялись от ткани, в то время как тот же самый человеческий эпителий, подвергшийся воздействию метаболитов, специфичных для микробиома мыши, подвергался гораздо меньшему воздействию, "сказал первый автор Алессио Товальери, который выполнил свою дипломную работу в команде Ингбера во время учебы в ETH Zurich в Швейцарии. "Интересно, патогенные бактерии EHEC не повреждали ткань толстой кишки в отсутствие метаболитов микробиома, и сами сложные смеси метаболитов не имели эффекта в отсутствие EHEC ».

Команда смогла продемонстрировать, что различия в травмах, вызванных метаболитами микробиома человека и мыши, не связаны с изменениями воспалительных цитокинов. различия в производстве токсина шига, или изменения способности EHEC колонизировать эпителий толстой кишки. Чтобы приблизиться к истинным первопричинам, провели анализ транскриптомики, анализ изменений экспрессии генов в бактериях EHEC при воздействии метаболитов микробиома человека и мыши и анализ метаболомики для выявления различий в химическом составе смесей двух метаболитов.

«Гены, кодирующие белки, которые участвуют в хемотаксисе EHEC и подвижности жгутиков, набрали наибольшее количество баллов среди всех генов, специфически активируемых метаболитами микробиома человека, которые, по-видимому, усиливают патогенность, а также, интересно, мы обнаружили, что бактерии EHEC, подвергшиеся воздействию метаболитов микробиома человека, были гораздо более подвижными, "- сказал Товальери. Жгутики - это сложные тонкие придатки, которые многие бактерии используют как двигатели, чтобы двигаться к источникам пищи (хемотаксис).

Из 426 метаболитов, которые присутствовали на разных уровнях в двух смесях метаболитов, комбинация четырех метаболитов микробиома человека, все они были повышены по сравнению с их уровнями в микробиоме мышей, было достаточно для увеличения подвижности EHEC в блюде. Важно отметить, что их также было достаточно, чтобы преобразовать обычно безвредную смесь метаболитов микробиома мыши в смесь, способствующую повреждению ткани толстой кишки в устройстве Colon Chip человека, делая его таким же эффективным, как метаболиты человеческого микробиома. Некоторые из этих метаболитов обнаруживаются в гораздо более высоких концентрациях у детей, которые, как известно, более чувствительны к инфекции EHEC.

«Эта работа позволила выявить потенциальные молекулярные мишени, которые могут помочь облегчить страдания пациентов с EHEC, если мы сможем разработать способы подавления их производства или увеличения их удаления у людей. Тот же подход к человеческому органическому чипу в сочетании с метаболомикой может помочь идентифицировать другие метаболиты, которые опосредуют защитные эффекты и повышение толерантности к другим инфекциям в будущем. Это также может помочь нам лучше понять, почему одни люди чувствительны к инфекциям, а другие - толерантны. "сказал Ингбер.

• Исследователи определяют более эффективное лечение рака
• Комбинированная иммуносупрессия может быть эффективной,