Novo človeško debelo črevo na čipu omogoča in vitro študijo fiziologije sluzi

Imamo vzajemno, a zapleteno razmerje z zbiranjem mikrobov v črevesju, znanih kot črevesni mikrobiom. Ta kompleksna skupnost bakterij razgrajuje različne sestavine hrane, in sprošča hranila, kot so vitamini, in številne druge dejavnike, ki nadzorujejo delovanje tkiv daleč od črevesnega trakta. Vendar pa grozi tudi veliko število mikrobov, saj lahko sprožijo vnetje, ki naj bi bil koren mnogih črevesnih bolezni, vključno z vnetno črevesno boleznijo, poškodbe črevesja zaradi sevanja, in nekatere vrste raka.

Da bi omogočili vnos koristnih snovi iz črevesnega lumena, in hkrati preprečiti, da bi črevesni mikrobi prišli v stik s površino črevesnega epitelijskega tkiva, specializirane celice, imenovane čašaste celice, nenehno proizvajajo sluz, sluzasta goo podobna snov, ki prekriva celotno črevesno površino. Sluz je bilo doslej zelo težko preučiti:njena struktura hitro razpade na kirurško odstranjenih delih črevesja, sistem, ki se najpogosteje uporablja za preučevanje sluzi, in noben in vitro sistem za kulturo ni uspel obnoviti in vivo podobne plasti sluzi z naravno strukturo, ki jo vidimo v živem črevesju zunaj človeškega telesa. Poleg teh težav se sluz se razlikuje tudi med ljudmi in drugimi vrstami, različne oddelke črevesnega trakta, in celo različne posameznike.

Zdaj, s poudarkom na debelem črevesu ali debelem črevesu, v katerem je največ komenzalnih mikrobov in ima najdebelejšo plast sluzi, skupina tkivnih inženirjev na Harvardskem inštitutu Wyss za biološko navdihnjeno inženirstvo je razvila napravo za mikrofluidno kulturo debelega črevesa na čipu (Colon Chip), obloženo s celicami debelega črevesa, pridobljenimi iz pacientov, ki spontano nabira plast sluzi z debelino, dvoslojna struktura, in pregradne funkcije, ki jih običajno najdemo v normalnem človeškem črevesju. Površina sluznice v njihovem modelu se odziva tudi na vnetni mediator prostaglandin E2 (PGE2) s hitrim odzivom otekline. Njihove ugotovitve so objavljene v Celična in molekularna gastroenterologija in hepatologija .

Naš pristop daje raziskovalcem priložnost, da najdejo odgovore na vprašanja o normalni biologiji sluzi, povezani z boleznijo, na primer njegov prispevek k črevesnim vnetnim boleznim in rakom, in zapletene interakcije gostitelj-mikrobiom. Pomembno je, za postavitev teh naprav uporabljamo celice, pridobljene iz pacientov, zato to predstavlja popolnoma nov pristop za osebno medicino, kjer je mogoče preučiti, kako sluz deluje ali disfunkcionira pri določenem pacientu, in temu ustrezno prilagoditi terapijo. "

Donald Ingber, M.D., Doktor znanosti, Ustanovni direktor, višji raziskovalec študije

Ingber je tudi profesor Judah Folkman za vaskularno biologijo na medicinski šoli Harvard in program za vaskularno biologijo v otroški bolnišnici Boston, pa tudi profesor bioinženiringa na Harvardovi šoli za inženiring in uporabne znanosti John A. Paulson. Njegova ekipa je del večinstitucionalnega sodelovanja, ki ga podpira donacija Grand Challenge Cancer Research UK, v kateri njegova ekipa Wyss raziskuje, kako spremembe, povezane z vnetjem, prispevajo k nastanku raka, vključno z rakom debelega črevesa. Grand Challenge je ambiciozna mednarodna pobuda za raziskave raka, podpiranje vodilnih svetovnih skupin znanstvenikov pri soočanju z nekaterimi najtežjimi izzivi pri raku, in jim dati svobodo, da preizkusijo nove pristope v velikem obsegu.

Pristop ekipe se začne s celicami debelega črevesa, pridobljenimi iz pacientov, z resekcijo debelega črevesa in endoskopsko biopsijo, ki se najprej goji kot "organoidi", drobne organizirane kroglice iz tkiva debelega črevesa, ki vsebujejo predvsem epitelijske izvorne celice. Po drobljenju organoidov, njihove celice se uporabljajo za poselitev zgornjega dela dveh vzporednih kanalov mikrofluidnega čipa, ločenih s porozno membrano. Preprosto z neprekinjenim pretakanjem kanalov s hranilnim medijem, matične celice debelega črevesa prerastejo v neprekinjen list in tvorijo zelo funkcionalne čašaste celice, ki izločajo sluz.

"Zaradi gojenja celic na čipu v toku je približno 15% epitelijskih celic spontano diferenciranih v čašaste celice. Porazdeljeno po celotnem epiteliju, ti tvorijo plast sluzi, podobno in vivo, "je dejala prva avtorica Alexandra Sontheimer-Phelps, podiplomski študent Univerze v Freiburgu, Nemčija, dela v Ingberjevi skupini. "Ob istem času, druge epitelne celice, ki se nenehno delijo, prav tako napolnijo populacijo peharskih celic, tako kot v živem črevesu, kar pomeni, da se čip lahko vzdržuje v stanju dinamičnega ravnovesja več kot dva tedna, zaradi česar je zelo uporaben za dolgoročnejše študije. "

Ekipa Wyss je pokazala, da je epitel debelega črevesa v čipu popolnoma polariziran z različnimi označevalci, omejenimi na njegov lumen, stran, ki izloča sluz, in njena nasprotna stran, ki veže membrano. Njegove čašaste celice izločajo glavni protein sluzi mucin 2 (MUC2), ki je v povezavi s kompleksnimi verigami molekul sladkorja, se sestavi v večmolekularno mrežo ali gel, ki prevzame vodo. "Naš pristop dejansko proizvaja dvoslojno strukturo normalne sluzi debelega črevesa z notranjo gosto plastjo, za katero kažemo, da je neprepustna za delce, ki posnemajo bakterije, ki tečejo skozi črevesni kanal, in bolj ohlapna zunanja plast, ki omogoča vstop delcev. To še nikoli doslej ni bilo doseženo in vitro, "je dejal Sontheimer-Phelps.

Če želite raziskati funkcionalnost sluzi, ona in njeni sodelavci so čip razkrili vnetnemu mediatorju PGE2. Sluz je v nekaj minutah hitro otekala in neodvisno od kakršnega koli novega izločanja sluzi, in ta proces kopičenja sluzi je mogoče prikazati v živih kulturah z ogledom čipov s strani z osvetlitvijo temnega polja. Ta dinamični odziv bi lahko blokirali z zaviranjem enega določenega ionskega kanala, ki črpa ione v epitel debelega črevesa in pasivno dovoljuje sledenje molekulam vode in očitno, to povzroči otekanje sluzi, ko ga stimulirajo signali, kot je PGE2.

Že dolgo velja, da je sluz pasivna, pregrada gostitelja, postaja pa vse bolj jasno, da mikrobne vrste vplivajo na njeno strukturo in delovanje poleg tega, da se hranijo z ogljikovimi hidrati kot virom energije. "Naš in vitro sistem nas približuje korak k ugotovitvi, kako lahko posamezne bakterijske vrste in bolj zapletene mikrobne skupnosti vplivajo na sluz in obratno, pa tudi, kako to zapleteno medsebojno delovanje vpliva na razvoj črevesnih bolezni. Zdaj imamo tudi preizkusno mesto za odkrivanje novih terapevtskih zdravil in probiotičnih strategij, ki bi lahko preprečile ali obrnile te bolezni, "je dejal Ingber.

• Uživanje celega sadja lahko zniža krvni tlak tako pri moških kot pri ženskah
• Novi model za pozno začeto sepso raziskuje možne načine zdravljenja neonatalne okužbe