Nova naprava za modeliranje kompleksnega mikrobiomskega okolja človeškega črevesja

V črevesju človeka živi več tisoč sevov bakterij. Nekatere od teh so povezane z boleznijo, drugi pa blagodejno vplivajo na zdravje ljudi. Določanje natančne vloge vsake od teh bakterij je lahko težavno, ker jih veliko ni mogoče gojiti v laboratorijskih študijah z uporabo človeškega tkiva.

Ta težava je še posebej izrazita pri vrstah, ki ne morejo živeti v okolju, bogatem s kisikom. Vendar pa Biološki in strojni inženirji MIT so zdaj oblikovali specializirano napravo, v kateri lahko gojijo bakterije, ki ne prenašajo kisika, v tkivu, ki posnema sluznico debelega črevesa, kar jim omogoča preživetje do štiri dni.

Mislili smo, da je resnično pomembno prispevati orodje v skupnost, ki bi ga lahko uporabili v tem skrajnem primeru. Pokazali smo, da lahko gojite te zelo zahtevne organizme, in lahko smo preučili učinke, ki jih imajo na človeško debelo črevo. "

Linda Griffith, Fakulteta za inženiring, profesor za poučevanje inovacij na Oddelku za biološki inženiring MIT

Z uporabo tega sistema, raziskovalci so pokazali, da bi lahko gojili sev bakterij, imenovanih Faecalibacterium prausnitzii, ki živi v črevesju človeka in ščiti pred vnetjem. Pokazali so tudi, da te bakterije, ki se pri bolnikih s Crohnovo boleznijo pogosto zmanjšajo, Zdi se, da imajo številne zaščitne učinke s sproščanjem maščobne kisline, imenovane butirat.

Griffith in David Trumper, profesor strojništva na MIT, so višji avtorji študije, ki je danes objavljen v reviji Med . Postdoktorata MIT Jianbo Zhang in Yu-Ja Huang sta vodilna avtorja prispevka.

Občutljivost na kisik

Kompleksno mikrobiomsko okolje človeškega črevesja je težko modelirati z uporabo živali, kot so miši, deloma zato, ker miši jedo zelo drugačno prehrano od ljudi, Griffith pravi.

"Ogromno smo se naučili od miši in drugih živalskih modelov, je pa veliko razlik, zlasti ko gre za črevesni mikrobiom, "pravi.

Večina bakterij, ki živijo v človeškem črevesju, so anaerobne, kar pomeni, da za preživetje ne potrebujejo kisika. Nekatere od teh bakterij lahko prenašajo nizke ravni kisika, medtem ko drugi, kot naprimer F. prausnitzii , ne more preživeti izpostavljenosti kisiku, kar otežuje njihovo proučevanje v laboratoriju. Nekateri raziskovalci so oblikovali naprave, v katerih lahko skupaj z bakterijami, ki prenašajo nizke ravni kisika, gojijo celice človeškega debelega črevesa. vendar ti ne delujejo dobro F. prausnitzii in drugi mikrobi, ki ne prenašajo kisika.

Da bi to premagali, ekipa MIT je oblikovala napravo, ki jim omogoča natančen nadzor ravni kisika v vsakem delu sistema. Njihova naprava vsebuje kanal, ki je prekrit s celicami iz človeške sluznice debelega črevesa. Pod temi celicami, hranila se črpajo, da celice ostanejo žive. Ta spodnja plast je bogata s kisikom, vendar se koncentracija kisika zmanjša proti vrhu celične plasti sluznice, podobno kot se dogaja v notranjosti človeškega debelega črevesa.

Tako kot v človeškem črevesju, pregradne celice v kanalu izločajo gosto plast sluzi. Ekipa MIT je to pokazala F. prausnitzii lahko tvorijo oblake celic v zunanji plasti te sluzi in tam preživijo do štiri dni, v okolju, ki je brez kisika s tekočino, ki teče po njem. Ta tekočina vsebuje tudi hranila za mikrobe.

Z uporabo tega sistema, raziskovalcem je to uspelo dokazati F. prausnitzii vpliva na celične poti, ki sodelujejo pri vnetju. Ugotovili so, da bakterije proizvajajo kratkoverižno maščobno kislino, imenovano butirat, za katerega je bilo že dokazano, da zmanjšuje vnetje. Ko so se ravni butirata dvignile, celice sluznice so pokazale zmanjšanje aktivnosti poti, imenovane NF kappa B. To zmanjšanje pomirja vnetje.

"Na splošno, ta pot se je zmanjšala, kar je res podobno tistemu, kar so ljudje videli pri ljudeh, "Zhang pravi." Zdi se, da bakterije desenzibilizirajo celice sesalcev, da se ne odzovejo preveč na nevarnosti v zunanjem okolju, zato bakterije umirijo stanje vnetja. "

Bolniki s Crohnovo boleznijo imajo pogosto znižano raven F. prausnitzii , Domneva se, da pomanjkanje teh bakterij prispeva k prekomerno aktivnemu vnetju pri teh bolnikih.

Ko so raziskovalci sistemu dodali butirat, brez bakterij, ni povzročil vseh učinkov, ki so jih videli, ko so bile prisotne bakterije. To nakazuje, da se nekateri učinki bakterij lahko pojavijo z drugimi mehanizmi, ki ga raziskovalci upajo še raziskati.

Mikrobi in bolezni

Raziskovalci nameravajo tudi s svojim sistemom preučiti, kaj se zgodi, ko dodajo druge vrste bakterij, za katere se domneva, da igrajo vlogo pri Crohnovi bolezni, poskušati dodatno raziskati učinke vsake vrste.

Načrtujejo tudi študij, sodelovanje z Alessiom Fasanom, vodja oddelka za otroško gastroenterologijo in prehrano v splošni bolnišnici Massachusetts, za rast sluzničnega tkiva pri bolnikih s celiakijo in drugimi gastrointestinalnimi motnjami. To tkivo bi lahko nato uporabili za preučevanje vnetja, ki ga povzročajo mikrobi, v celicah z različnimi genetskimi ozadji.

"Upamo, da bomo dobili nove podatke, ki bodo pokazali, kako mikrobi in vnetje delujejo z genetskim ozadjem gostitelja, da bi ugotovili, ali obstajajo ljudje, ki imajo genetsko dovzetnost, da mikrobi nekoliko bolj kot drugi motijo ​​sluznično pregrado, "Pravi Griffith.

Prav tako upa, da bo napravo uporabila za preučevanje drugih vrst sluzničnih ovir, vključno s tistimi iz ženskega reproduktivnega trakta, kot sta maternični vrat in endometrij.

• Študija najde dokaze o črevesni disbiozi pri ljudeh s Huntingtonovo boleznijo
• Študija preučuje specifična tveganja raka želodca med etničnimi skupinami