Vyvinutá platforma myši Intestine Chip môže pomôcť študovať interakcie hostiteľ-mikrobióm

Na slizniciach a epidermálnych povrchoch tela žijú bilióny komenzálnych mikróbov a je pevne dokázané, že tento mikrobióm ovplyvňuje toleranciu a citlivosť hostiteľa na rôzne patogény.

Avšak, tolerancia hostiteľa k infekcii patogénmi nie je vo všetkých organizmoch rovnako rozvinutá. Napríklad, je známe, že črevný mikrobióm myší účinnejšie chráni pred infekciou určitými patogénmi, ako je baktéria Salmonella typhimurium, než mikrobióm ľudského čreva.

To vyvoláva zaujímavú možnosť, že analýza rozdielov medzi interakciami hostiteľ-mikrobióm u ľudí a iných druhov, napríklad myši, a určenie jednotlivých typov baktérií, ktoré buď chránia alebo senzibilizujú proti určitým patogénom, môže viesť k úplne novým typom terapeutických prístupov.

Avšak, zatiaľ čo zloženie črevných mikrobiómov a jeho účinok na imunitné reakcie hostiteľa boli u myší dobre preskúmané, nie je možné študovať, ako mikrobióm interaguje priamo s epiteliálnymi bunkami lemujúcimi črevo za vysoko definovaných podmienok, a tým odhaliť špecifické bakteriálne kmene, ktoré môžu indukovať toleranciu hostiteľa na infekčné patogény.

Teraz, tím spolupráce vedený zakladajúcim riaditeľom Wyss Donaldom Ingberom, M.D., Ph.D. na Harvardovom inštitúte Wyss pre biologicky inšpirované inžinierstvo a Dennis Kasper, MD na Harvardskej lekárskej škole (HMS) využil Wyssovu technológiu mikrofluidických organov na čipe (organický čip) na modelovanie rôznych anatomických sekcií myšieho čreva a ich symbiózy so zložitým živým mikrobiómom in vitro.

Vedci zrekapitulovali deštruktívne účinky S. typhimurium na povrch epitelu čreva v upravenom myšom Colon Chip, a v porovnávacej analýze myších a ľudských mikrobiómov sa potvrdilo, že komenzálna baktéria Enterococcus faecium prispieva k tolerancii hostiteľa voči infekcii S. typhimurium. Štúdia je publikovaná v Hranice v bunkovej a infekčnej mikrobiológii .

Projekt bol zahájený v rámci projektu „Technológie pre odolnosť hostiteľa“ (THoR) podporovaného DARPA vo Wyss Institute, ktorého cieľom bolo odhaliť kľúčové príspevky k tolerancii voči infekcii štúdiom rozdielov pozorovaných u určitých živočíšnych druhov a ľudí. Použitím čipu ľudského hrubého čreva, Ingberova skupina v predchádzajúcej štúdii ukázala, ako majú metabolity produkované mikróbmi získanými z myších a ľudských výkalov rôzny potenciál ovplyvniť citlivosť na infekciu enterohemoragickým patogénom E. coli.

Biomedicínsky výskum silne závisí od zvieracích modelov, ako sú myši, ktoré majú nepochybne obrovské výhody, ale neposkytujú príležitosť študovať normálne a patologické procesy v rámci určitého orgánu, ako je črevo, zblízka a v reálnom čase. Táto dôležitá štúdia dôkazov o koncepcii so skupinou Dennisa Kaspera zdôrazňuje, že naša navrhnutá platforma Intestine Chip pre myši ponúka presne túto schopnosť a poskytuje možnosť študovať interakcie hostiteľského mikrobiómu s mikrobiómami rôznych druhov za vysoko kontrolovateľných podmienok in vitro. . "

Donald Ingber, MD, Ph.D, Zakladajúci riaditeľ, Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering na Harvarde

„Vzhľadom na hlbokú úroveň charakterizácie myšej imunológie, táto schopnosť by mohla výrazne pomôcť napredovať v práci výskumníkov, ktorí v súčasnosti používajú tieto zvieratá na výskum mikrobiómov a reakcií hostiteľov. Umožňuje im to v budúcnosti porovnať svoje výsledky, ktoré získajú, priamo s ľudskými črevnými čipmi, aby sa bolo možné zamerať na identifikáciu znakov reakcie hostiteľa, ktoré sú pre ľudí najrelevantnejšie. “Ingber je tiež Judah Folkman, profesor cievnej biológie na HMS a Detská nemocnica v Bostone, a profesor bioinžinierstva na Harvardskej John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences.

Inžinierstvo myšej platformy Intestine-on-Chip

V ich novej štúdii tím sa zameral na myší črevný trakt. "Tradične bolo extrémne ťažké modelovať interakcie hostiteľ-mikrobióm mimo akéhokoľvek organizmu, pretože mnohé baktérie sú prísne anaeróbne a za bežných atmosférických kyslíkových podmienok odumierajú. Technológia Organ Chip dokáže tieto podmienky obnoviť," a je oveľa jednoduchšie získať primárne črevné a imunitné bunky z myší, než sa spoliehať na ľudské biopsie, “uviedla prvá autorka Francesca Gazzaniga, Ph.D., postdoktorand, ktorý pracuje medzi skupinami Ingbera a Kaspera a stojí na čele projektu.

Gazzaniga a jej kolegovia izolovali črevné krypty z rôznych oblastí črevného traktu myší, vrátane dvanástnika, jejunum, ileum, a hrubého čreva, ich bunky prešli medziľahlým „organoidným“ krokom v kultúre, v ktorom sa tvoria a rastú malé fragmenty tkaniva, ktoré potom naočkovali do jedného z dvoch paralelných mikrofluidicky perfundovaných kanálov Wyssových organových čipov, aby sa vytvorili regionálne špecifické črevné čipy.

Druhý nezávisle prekrvený kanál napodobňuje krvnú cievu, a je oddelený od prvého poréznou membránou, ktorá umožňuje výmenu živín, metabolity, a vylučované molekuly, ktoré črevné epiteliálne bunky používajú na komunikáciu s vaskulárnymi a imunitnými bunkami.

Zameranie na patogén

Tím potom zdokonalil S. typhimurium ako patogéna. Najprv, zaviedli patogén do epitelového lúmenu geneticky upraveného myšieho Colon Chip a zrekapitulovali kľúčové črty súvisiace s rozpadom integrity črevného tkaniva známe zo štúdií na myšiach, vrátane narušenia normálne tesných adhézií medzi susednými epiteliálnymi bunkami, znížená tvorba hlienu, prudký nárast sekrécie kľúčového zápalového chemokínu (myší homológ ľudského IL-8), a zmeny v expresii epiteliálneho génu. Paralelne, ukázali, že myšací Colon Chip podporuje rast a životaschopnosť komplexných bakteriálnych konzorcií, ktoré sa bežne vyskytujú v črevných mikrobiómoch myší a ľudí.

Keď spojíme tieto schopnosti, vedci porovnávali účinky konkrétnych myších a ľudských mikrobiálnych konzorcií, ktoré boli predtým stabilne udržiavané v črevách „gnotobiotických“ myší, ktoré tím Kasper umiestnil v bezmikrobných podmienkach. Zhromažďovaním komplexných mikrobiómov zo stolice týchto myší a potom ich naočkovať do hrubého čreva, vedci pozorovali variabilitu čipu k čipu v zložení konzorcia, čo im umožnilo priradiť zloženie mikróbov k funkčným účinkom na hostiteľský epitel.

„Použitie 16 -sekundového sekvenovania nám poskytlo dobrý zmysel pre mikrobiálne kompozície týchto dvoch konzorcií, a vysokým počtom jedného jednotlivého druhu, Enterococcus faecium, generované iba jedným z nich v Colon Chip, umožnilo črevnému tkanivu lepšie znášať infekciu, "Povedal Gazzaniga." Toto pekne potvrdilo minulé zistenia a potvrdilo náš prístup ako novej objaviteľskej platformy, ktorú teraz môžeme použiť na skúmanie mechanizmov, ktoré sú základom týchto účinkov, ako aj príspevku životne dôležitých imunitných buniek k tolerancii hostiteľa, ako aj infekčné procesy zahŕňajúce iné patogény. “

„Technológia myšieho čreva na čipe poskytuje jedinečný prístup k pochopeniu vzťahu medzi črevnou mikroflórou, hostiteľská imunita, a mikrobiálnym patogénom. Tento dôležitý vzájomný vzťah je náročné študovať na živom zvierati, pretože existuje toľko nekontrolovateľných faktorov.

Krása tohto systému je, že v podstate všetky parametre, ktoré chcete študovať, sú kontrolovateľné a dajú sa ľahko monitorovať. Tento systém je veľmi užitočným krokom vpred, “povedal Kasper, ktorý je William Ellery Channing profesor medicíny a profesor imunológie na HMS.

Vedci sa domnievajú, že ich komparatívny prístup in vitro by mohol odhaliť špecifické krížové rozhovory medzi patogénmi a komenzálnymi baktériami s črevnými epiteliálnymi a imunitnými bunkami, a že identifikované baktérie zvyšujúce toleranciu by mohli byť použité v budúcich terapiách, čo môže obísť problém zvyšovania antimikrobiálnej odolnosti patogénnych bakteriálnych kmeňov.

• Mikrobiotická modulácia a obnovenie eubiózy by mohli pomôcť obmedziť komplikácie súvisiace s COVID-19
• Náhodné bunkové zmeny hrajú zásadnú úlohu v dlhovekosti mimo genetiky a prostredia