Nové zariadenie na modelovanie komplexného mikrobiómového prostredia ľudských čriev

V črevách človeka žije niekoľko tisíc kmeňov baktérií. Niektoré z nich súvisia s chorobami, zatiaľ čo iné majú priaznivé účinky na ľudské zdravie. Zistenie presnej úlohy každej z týchto baktérií môže byť náročné, pretože mnohé z nich nemožno pestovať v laboratórnych štúdiách s použitím ľudského tkaniva.

Tento problém je obzvlášť výrazný u druhov, ktoré nemôžu žiť v prostredí bohatom na kyslík. Avšak, Biologickí a mechanickí inžinieri z MIT teraz navrhli špecializované zariadenie, v ktorom môžu pestovať baktérie neznášanlivé na kyslík v tkanive, ktoré replikuje výstelku hrubého čreva, čo im umožňuje prežiť až štyri dni.

Mysleli sme si, že je skutočne dôležité prispieť do komunity nástrojom, ktorý by bolo možné použiť v tomto extrémnom prípade. Ukázali sme, že tieto veľmi náročné organizmy môžete pestovať, a boli sme schopní študovať účinky, ktoré majú na ľudské hrubé črevo. “

Linda Griffith, Technická škola, profesor inovácií vo výučbe na Katedre biologického inžinierstva MPO

Pomocou tohto systému, vedci ukázali, že môžu pestovať kmeň baktérií nazývaných Faecalibacterium prausnitzii, ktorý žije v ľudskom čreve a chráni pred zápalmi. Ukázali tiež, že tieto baktérie, ktoré sú často znížené u pacientov s Crohnovou chorobou, Zdá sa, že uplatňujú mnohé zo svojich ochranných účinkov uvoľňovaním mastnej kyseliny nazývanej butyrát.

Griffith a David Trumper, profesor strojárstva na MIT, sú hlavnými autormi štúdie, ktorý sa dnes objavuje v denníku Med . Postdocs z MIT Jianbo Zhang a Yu-Ja Huang sú hlavnými autormi príspevku.

Citlivosť na kyslík

Zložité mikrobiómové prostredie ľudského čreva je ťažké modelovať pomocou zvierat, ako sú myši, čiastočne preto, že myši jedia úplne odlišnú stravu ako ľudia, Hovorí Griffith.

„Naučili sme sa obrovské množstvo od myší a iných zvieracích modelov, ale je tu veľa rozdielov, najmä pokiaľ ide o črevný mikrobióm, " ona povedala.

Väčšina baktérií, ktoré žijú v ľudskom čreve, je anaeróbna, čo znamená, že na prežitie nepotrebujú kyslík. Niektoré z týchto baktérií môžu tolerovať nízke hladiny kyslíka, zatiaľ čo iní, ako napr F. prausnitzii , nemôže prežiť vystavenie kyslíku, čo sťažuje ich štúdium v ​​laboratóriu. Niektorí vedci navrhli zariadenia, v ktorých môžu pestovať ľudské bunky hrubého čreva spolu s baktériami, ktoré tolerujú nízke hladiny kyslíka, ale pre tieto nefungujú dobre F. prausnitzii a ďalšie mikróby s vysokou toleranciou voči kyslíku.

Aby sme to prekonali, tím MIT navrhol zariadenie, ktoré im umožňuje presne kontrolovať hladiny kyslíka v každej časti systému. Ich zariadenie obsahuje kanál, ktorý je potiahnutý bunkami z ľudskej slizničnej bariéry hrubého čreva. Pod týmito bunkami živiny sa čerpajú, aby bunky zostali nažive. Táto spodná vrstva je bohatá na kyslík, ale koncentrácia kyslíka klesá smerom k vrcholu vrstvy slizničných buniek, podobne ako sa to deje vo vnútri ľudského hrubého čreva.

Rovnako ako to robia v ľudskom hrubom čreve, bariérové ​​bunky v kanáliku vylučujú hustú vrstvu hlienu. Tím MIT to ukázal F. prausnitzii môžu vo vonkajšej vrstve tohto hlienu vytvárať oblaky buniek a prežiť tam až štyri dni, v prostredí, v ktorom je tekutina, ktorá cez ňu preteká, bez kyslíka. Táto tekutina tiež obsahuje živiny pre mikróby.

Pomocou tohto systému, vedci to dokázali F. prausnitzii Ovplyvňuje bunkové cesty zapojené do zápalu. Zistili, že baktérie produkujú mastné kyseliny s krátkym reťazcom nazývané butyrát, u ktorých sa predtým preukázalo, že zmierňujú zápal. Potom, čo sa hladiny butyrátu zvýšili, bunky sliznice vykazovali zníženie aktivity dráhy nazývanej NF kappa B. Toto zníženie upokojuje zápal.

"Celkovo táto cesta bola znížená, čo je skutočne podobné tomu, čo ľudia videli u ľudí, „Zhang hovorí.“ Zdá sa, že baktérie znecitlivujú bunky cicavcov, aby nereagovali prehnane na nebezpečenstvo vo vonkajšom prostredí, takže stav zápalu baktérie upokojujú. “

Pacienti s Crohnovou chorobou majú často znížené hladiny F. prausnitzii , a predpokladá sa, že nedostatok týchto baktérií prispieva k hyperaktívnemu zápalu pozorovanému u týchto pacientov.

Keď vedci pridali do systému butyrát, bez baktérií, nevygenerovalo všetky efekty, ktoré videli, keď boli prítomné baktérie. To naznačuje, že niektoré z účinkov baktérií sa môžu prejaviť inými mechanizmami, ktoré vedci dúfajú, že budú ďalej skúmať.

Mikróby a choroby

Vedci tiež plánujú použiť svoj systém na štúdium toho, čo sa stane, keď pridajú ďalšie druhy baktérií, o ktorých sa predpokladá, že hrajú úlohu pri Crohnovej chorobe, pokúsiť sa ďalej skúmať účinky každého druhu.

Plánujú tiež štúdiu, v spolupráci s Alessiom Fasanom, vedúci divízie detskej gastroenterológie a výživy vo všeobecnej nemocnici Massachusetts, na rast slizničného tkaniva od pacientov s celiakiou a inými gastrointestinálnymi poruchami. Toto tkanivo by sa potom dalo použiť na štúdium mikróbmi indukovaného zápalu v bunkách s rôznym genetickým pozadím.

„Dúfame, že získame nové údaje, ktoré ukážu, ako mikróby a zápal pracujú s genetickým pozadím hostiteľa, aby zistili, či môžu existovať ľudia, ktorí majú genetickú predispozíciu na to, že mikróby zasahujú do slizničnej bariéry o niečo viac ako ostatní ľudia, “Hovorí Griffith.

Tiež dúfa, že zariadenie použije na štúdium iných typov mukóznych bariér, vrátane reprodukčného systému žien, napríklad krčka maternice a endometria.

• Štúdia zisťuje dôkazy o črevnej dysbióze u ľudí s Huntingtonovou chorobou
• Štúdia sa zameriava na konkrétne riziká rakoviny žalúdka medzi etnickými populáciami