Nový ľudský hrubý črev na čipe umožňuje in vitro štúdium fyziológie hlienu

Máme vzájemný, ale komplikovaný vzťah so zbierkou mikróbov v našom čreve známym ako črevný mikrobióm. Toto komplexné spoločenstvo baktérií rozkladá rôzne zložky potravy, a uvoľňuje živiny, ako sú vitamíny, a množstvo ďalších faktorov, ktoré riadia funkcie v tkanivách ďaleko za črevný trakt. Avšak, veľký počet mikróbov predstavuje aj hrozbu, pretože môžu vyvolať zápal, o ktorom sa predpokladá, že je príčinou mnohých črevných chorôb, vrátane zápalového ochorenia čriev, radiačne indukované črevné poranenie, a niektoré druhy rakoviny.

Aby sa umožnil príjem prospešných látok z črevného lúmenu, a súčasne zabrániť tomu, aby sa črevné mikróby dostali do kontaktu s povrchom črevného epiteliálneho tkaniva, špecializované bunky nazývané pohárikové bunky nepretržite produkujú hlien, slizká slizovitá látka, ktorá pokrýva celý povrch čreva. Hlien bol doteraz notoricky ťažko študovateľný:jeho štruktúra sa rýchlo rozpadá v chirurgicky odstránených častiach čreva, systém najčastejšie používaný na štúdium hlienu, a žiadny in vitro kultivačný systém nebol schopný rekonštituovať vrstvu hlienu podobnú in vivo s prirodzenou štruktúrou pozorovanou v živom čreve mimo ľudského tela. K týmto ťažkostiam sa pridá hlien sa líši aj medzi ľuďmi a inými druhmi, rôzne časti črevného traktu, a dokonca aj rôzni jednotlivci.

Teraz, so zameraním na hrubé črevo alebo hrubé črevo, v ktorom je uložený najväčší počet komenzálnych mikróbov a ktoré má najhrubšiu vrstvu hlienu, tím tkanivových inžinierov z Harvardovho inštitútu Wyss pre biologicky inšpirované inžinierstvo vyvinul mikrofluidické kultivačné zariadenie hrubého čreva na čipe (Colon Chip) lemované bunkami hrubého čreva odvodenými od pacienta, ktoré spontánne akumuluje vrstvu hlienu s hrúbkou, dvojvrstvová štruktúra, a bariérové ​​funkcie sa bežne nachádzajú v normálnom ľudskom hrubom čreve. Povrch sliznice v ich modeli tiež reaguje na mediátor zápalu prostaglandín E2 (PGE2) vytvorením rýchlej reakcie na opuch. Ich zistenia sú publikované v Bunková a molekulárna gastroenterológia a hepatológia .

Náš prístup poskytuje vedcom príležitosť nájsť odpovede na otázky o normálnej biológii hlienu súvisiacej s chorobami, ako jeho prínos k črevným zápalovým ochoreniam a rakovine, a komplexné interakcie hostiteľ-mikrobióm. Dôležité je, Na obloženie týchto zariadení používame bunky odvodené od pacienta, čo predstavuje úplne nový prístup pre personalizovanú medicínu, kde je možné študovať, ako funguje alebo funguje dysfunkcia hlienu u konkrétneho pacienta. a podľa toho prispôsobiť terapiu. “

Donald Ingber, M.D., Ph.D., Zakladajúci riaditeľ, vedúci vyšetrovateľ štúdie

Ingber je tiež Judah Folkman profesorom vaskulárnej biológie na Harvardskej lekárskej fakulte a programu cievnej biológie v detskej nemocnici v Bostone, ako aj profesor bioinžinierstva na Harvardskej škole inžinierstva a aplikovaných vied Johna A. Paulsona. Jeho tím je súčasťou multiinštitucionálnej spolupráce podporenej grantom Cancer Research UK Grand Challenge, v ktorom jeho tím Wyss skúma, ako zmeny súvisiace so zápalom prispievajú k vzniku rakoviny, vrátane rakoviny hrubého čreva. Grand Challenge je ambiciózna medzinárodná iniciatíva v oblasti výskumu rakoviny, podpora popredných svetových tímov vedcov, aby zvládli niektoré z najťažších výziev v oblasti rakoviny, a dať im slobodu vyskúšať si nové prístupy vo veľkom.

Prístup tímu začína bunkami hrubého čreva odvodenými od pacienta z resekcií hrubého čreva a endoskopickými biopsiami, ktoré sa najskôr pestujú ako „organoidy“, malé organizované guľôčky tkaniva hrubého čreva, ktoré obsahujú hlavne epiteliálne kmeňové bunky. Po fragmentácii organoidov ich bunky sa používajú na osídlenie hornej časti dvoch rovnobežných kanálov mikrofluidického čipu, ktoré sú oddelené poréznou membránou. Jednoducho tak, že kanály nepretržite premývate živným médiom, kmeňové bunky hrubého čreva rastú do súvislého listu a vytvárajú vysoko funkčné pohárikové bunky, ktoré vylučujú hlien.

„Rastúce bunky na čipe pod prúdom vedú k tomu, že sa asi 15% epiteliálnych buniek spontánne diferencuje na pohárové bunky. Distribuované v celom epiteli, tieto produkujú vrstvu hlienu podobnú in vivo, “povedala prvá autorka Alexandra Sontheimer-Phelps, postgraduálny študent Univerzity vo Freiburgu, Nemecko, pracujúci v Ingberovej skupine. "V rovnakom čase, ďalšie epitelové bunky, ktoré sa stále delia, tiež dopĺňajú populáciu pohárových buniek rovnako ako v živom hrubom čreve, čo znamená, že čip je možné v ustálenom stave udržiavať viac ako dva týždne, vďaka čomu je veľmi užitočný pre dlhodobejšie štúdie. “

Tím Wyss ukázal, že epitel hrubého čreva v čipe je úplne polarizovaný výraznými markermi obmedzenými na jeho lúmen exponovaný, strana vylučujúca hlien a jej opačná strana viažuca membránu. Jeho pohárikové bunky vylučujú hlavný hlienový proteín mucín 2 (MUC2), ktoré keď sú spojené so zložitými reťazcami molekúl cukru, sa montuje do mnohomolekulárnej siete alebo gélu, ktorý absorbuje vodu. „Náš prístup v skutočnosti vytvára dvojvrstvovú štruktúru normálneho hlienu hrubého čreva s vnútornou hustou vrstvou, o ktorej ukazujeme, že je nepreniknuteľná pre častice napodobňujúce baktérie pretekajúce črevným kanálom, a voľnejšia vonkajšia vrstva, ktorá umožňuje vstup častíc. To sa nikdy predtým nedosiahlo in vitro, “povedal Sontheimer-Phelps.

Aby sa preskúmala funkčnosť hlienu, ona a jej spolupracovníci vystavili čip zápalovému mediátoru PGE2. Hlien prešiel rýchlym opuchom v priebehu niekoľkých minút a nezávisle od akéhokoľvek nového vylučovania hlienu, a tento proces akumulácie hlienu je možné v živých kultúrach vizualizovať pohľadom na čipy zo strany s osvetlením tmavého poľa. Túto dynamickú odozvu je možné zablokovať inhibíciou jedného konkrétneho iónového kanála, ktorý pumpuje ióny do epitelu hrubého čreva a pasívne umožňuje molekulám vody nasledovať a zrejme, toto stimuluje opuch hlienu, keď je stimulovaný signálmi, ako je PGE2.

Hlien bol dlho považovaný za pasívny, hostiteľská bariéra, je však čoraz jasnejšie, že mikrobiálne druhy okrem toho, že sa živia svojimi uhľohydrátmi ako zdrojom energie, ovplyvňujú aj jeho štruktúru a funkciu. „Náš systém in vitro nás privádza o krok bližšie k zisteniu, ako môžu jednotlivé druhy baktérií a komplexnejšie mikrobiálne spoločenstvá ovplyvniť hlien a naopak, ako aj to, ako táto komplexná súhra ovplyvňuje vývoj črevných chorôb. Teraz máme aj testovacie miesto na objavenie nových terapeutických liekových a probiotických stratégií, ktoré by mohli týmto chorobám predchádzať alebo ich zvrátiť, “povedal Ingber.

• Konzumácia celého ovocia môže znížiť krvný tlak u mužov aj u žien
• Nový model sepsy s neskorým nástupom skúma potenciálnu liečbu neonatálnej infekcie