Metabolity ľudského mikrobiómu zlepšujú poškodenie hrubého čreva enterohemoragickou E. coli,

ukazuje štúdia Zostáva záhadou, prečo sa ľudia relatívne ľahko nakazia niektorými bakteriálnymi alebo vírusovými patogénmi, zatiaľ čo zvieratá, ktoré majú veľmi podobné tkanivá a imunitné funkcie, nie. Táto priepasť je tiež dôvodom, prečo sa vedci často stretávajú s problémami v ich úsilí modelovať patogénne choroby na zvieracích modeloch, napríklad myši, a prečo lieky vyvinuté pomocou tohto prístupu často u ľudí zlyhávajú.

V reakcii na enterohemoragické je možné vidieť pozoruhodný príklad druhovo špecifických rozdielov v tolerancii voči infekcii E. coli (EHEC) baktérie, ktoré sú zodpovedné za viac ako 100, 000 000 infekcií ročne iba v USA, a príčina krvavej hnačky (cestovnej hnačky), kolitída a hemolyticko -uremický syndróm (HUS) - závažný stav, ktorý spôsobuje zlyhanie obličiek po tom, ako sa stretnú s toxínom Shiga od EHEC. Už roky je známe, že je potrebných 100, 000-násobne vyšší počet patogénnych baktérií EHEC na infikovanie myší v porovnaní s ľuďmi, a že u myší sa neprejavujú symptómy ochorenia, pokiaľ zvieratá nie sú pestované v špeciálnych bezmikrobných podmienkach, v ktorých im chýba normálny komenzálny črevný mikrobióm.

Multidisciplinárny tím biologických inžinierov, mikrobiológovia, a systémoví biológovia z Harvardovho inštitútu Wyss pre biologicky inšpirované inžinierstvo, ktorí pracujú na projekte „Technológie pre odolnosť hostiteľa“ (THoR) podporovaného inštitútom DARPA, ktorého cieľom je odhaliť príčiny tolerancie voči infekciám, ktoré prejavujú určití jednotlivci alebo druhy, sa teraz podarilo modelovať infekciu ľudského hrubého čreva pomocou EHEC in vitro pomocou mikrofluidného kultivačného zariadenia Organ-on-a-Chip (Organ Chip). Prekvapivo, ich prístup umožnil identifikáciu kľúčových rozdielov medzi metabolitmi produkovanými komplexnými komunitami komenzálnych baktérií, ktoré obsahujú mikrobióm prítomný v myšom a ľudskom hrubom čreve. Zistili, že štyri metabolity, ktoré sú produkované vo vyšších hladinách mikrobiómom ľudského čreva, môžu pomôcť vysvetliť zvýšenú citlivosť ľudského hrubého čreva na EHEC. Štúdia bola publikovaná v Mikrobiálna flóra .

„Motivovalo nás pozorovanie, že často existujú obrovské rozdiely v citlivosti medzi ľudským a myším črevom, keď sú vystavené rovnakému patogénu, a predchádzajúca práca, ktorá ukázala, že niektoré z týchto rozdielov v tolerancii voči infekcii je možné vysvetliť rozdielmi v črevnom mikrobióme medzi týmito druhmi, “povedal zakladajúci riaditeľ Wyss Institute Donald Ingber, M.D., Ph.D., ktorý štúdiu viedol. „Ak chcete priamo zaútočiť na tento problém, využili sme našu technológiu ľudského organického čipu a spojili sme ju s mikrobiálnymi metabolitmi produkovanými v bioreaktoroch, ako aj metabolomickú analýzu, aby získali prehľad o molekulárnom základe pre tento druhovo špecifický rozdiel v citlivosti na EHEC. “Ingber je tiež Judah Folkman profesorom vaskulárnej biológie na Harvardskej lekárskej fakulte (HMS) a programu cievnej biológie v detskej nemocnici v Bostone, ako aj profesor bioinžinierstva na Harvardskej škole inžinierstva a aplikovaných vied Johna A. Paulsona.

Pretože EHEC primárne infikuje ľudské hrubé črevo, tím najskôr zostavil hrubý črevný čip pomocou svojej technológie mikrofluidickej kultúry a využil svoje nedávne pokroky v použití fragmentov črevného tkaniva známych ako organoidy ako medziprodukty pri vytváraní vysoko funkčného črevného epitelu, ktorý v zariadení spontánne vytvára výbežky podobné prstom nazývané črevné klky. V hrubom čreve, epitel hrubého čreva lemuje jeden z dvoch paralelných kanálov („črevný luminálny kanál“), ktoré sú oddelené poréznou membránou potiahnutou extracelulárnou matricou (ECM), na ktorú bunky prednostne priľnú. Opačný kanál („vaskulárny kanál“) je lemovaný endotelovými bunkami ľudského čreva, ktoré napodobňujú krvnú cievu, ktorá podporuje epitel hrubého čreva a komunikuje s ním.

Tím testoval, či úplná komplexnosť rozpustných molekúl produkovaných komplexnými myšími a ľudskými mikrobiotickými spoločenstvami kultivovanými v bioreaktoroch, ktoré napodobňujú prostredie hrubého čreva, odlišne ovplyvňuje infekčnosť EHEC v ľudských črevných čipsoch. „Bolo to pozoruhodné - po pridaní metabolitov špecifických pre mikrobiómy bol ľudský epitel hrubého čreva vážne zranený a objavili sa veľké lézie, kde bunky odumreli a oddelili sa z tkaniva, zatiaľ čo ten istý ľudský epitel vystavený metabolitom špecifickým pre myšie mikrobiómy bol ovplyvnený oveľa menej, “povedal prvý autor Alessio Tovaglieri, ktorý vykonával svoju absolventskú prácu v Ingberovom tíme ako študent ETH Zurich vo Švajčiarsku. „Je zaujímavé, patogénne baktérie EHEC nepoškodili tkanivo hrubého čreva v neprítomnosti metabolitov mikrobiómu, a samotné zmesi komplexných metabolitov nemali žiadny účinok v neprítomnosti EHEC. “

Tímu sa podarilo preukázať, že rozdiely v poraneniach spôsobených mikrobiómovými metabolitmi ľudí a myší nie sú spôsobené zmenami zápalových cytokínov, rozdiely v produkcii toxínu Shiga, alebo zmeny v schopnosti EHEC kolonizovať epitel hrubého čreva. Aby sme sa priblížili k skutočným hlavným príčinám, vykonali transkriptomickú analýzu, analyzovanie zmien v génovej expresii v baktériách EHEC po expozícii ľudským a myším mikrobiómovým metabolitom a metabolomická analýza na identifikáciu rozdielov v chemickom zložení dvoch zmesí metabolitov.

„Gény kódujúce proteíny, ktoré pôsobia v EHEC chemotaxii a bičíkovej motilite, dosiahli najvyššie skóre spomedzi všetkých génov špecificky upregulovaných metabolitmi ľudského mikrobiómu, ktoré zrejme zvyšovali patogenitu, a, zaujímavé, zistili sme, že baktérie EHEC vystavené metabolitom ľudského mikrobiómu sú oveľa pohyblivejšie, "Povedali Tovaglieri. Bičíky sú komplexné štíhle prívesky, ktoré mnohé baktérie používajú ako motory na to, aby sa presunuli k zdrojom potravy (chemotaxia).

Zo 426 metabolitov, ktoré boli prítomné v rôznych hladinách v dvoch zmesiach metabolitov, kombinácia štyroch metabolitov ľudského mikrobiómu, ktoré boli všetky zvýšené v porovnaní s ich hladinami v myšacom mikrobióme, bolo dostatočné na zvýšenie motility EHEC v miske. Dôležité je, boli tiež dostatočné na premenu normálne neškodnej zmesi metabolitov myšieho mikrobiómu na takú, ktorá uľahčuje poškodenie tkaniva hrubého čreva v zariadení s ľudským hrubým črevom, čím je rovnako účinný ako metabolity ľudského mikrobiómu. Niektoré z týchto rovnakých metabolitov sa nachádzajú na oveľa vyšších hladinách u detí, o ktorých je tiež známe, že sú citlivejšie na infekciu EHEC.

"Táto práca odhalila potenciálne molekulárne ciele, ktoré by mohli pomôcť zmierniť utrpenie u pacientov s EHEC, ak by sme vyvinuli spôsoby, ako potlačiť ich produkciu alebo zlepšiť ich odstraňovanie u ľudí. Rovnaký prístup k ľudskému organovému čipu v kombinácii s metabolomikou by mohol pomôcť identifikovať ďalšie metabolity, ktoré sprostredkujú ochranné účinky a v budúcnosti zvýši toleranciu voči iným infekciám. Môže nám to tiež pomôcť lepšie porozumieť tomu, prečo sú niektorí jednotlivci na infekcie citliví, zatiaľ čo iní sú tolerantní, “povedal Ingber.

• Vedci identifikujú účinnejšiu liečbu rakoviny
• Kombinovaná imunosupresia môže byť účinná,