Presnovki človeških mikrobiomov povečajo poškodbo debelega črevesa z enterohemoragično E. coli,

študija kaže Skrivnostno ostaja, zakaj se ljudje relativno enostavno okužijo z nekaterimi bakterijskimi ali virusnimi patogeni, medtem ko živali, ki imajo zelo podobna tkiva in imunske funkcije, ne. Ta prepad je tudi razlog, zakaj se raziskovalci pri svojih prizadevanjih za modeliranje patogenih bolezni na živalskih modelih pogosto srečujejo s težavami, kot so miši, in zakaj zdravila, razvita s tem pristopom, pri ljudeh pogosto ne uspejo.

Presenetljiv primer razlik v toleranci na okužbo, značilnih za vrsto, je mogoče videti v odzivu na enterohemoragično E. coli (EHEC) bakterije, ki so odgovorni za več kot 100, 000 okužb letno samo v ZDA, in vzrok krvave driske (potovalna driska), kolitis in hemolitično uremični sindrom (HUS) - resno stanje, ki povzroči odpoved ledvic, potem ko naletijo na toksin EHEC Shiga. Že leta je znano, da potrebuje 100, 000-krat večje število patogenih bakterij EHEC, ki okužijo miši v primerjavi s človekom, in da miši ne razvijejo simptomov bolezni, razen če živali gojijo v posebnih pogojih brez kalčkov, v katerih jim primanjkuje normalnega komenzalnega črevesnega mikrobioma.

Multidisciplinarna ekipa bioloških inženirjev, mikrobiologi, in sistemski biologi na Harvardskem inštitutu Wyss za biološko navdihnjeno inženirstvo, ki delajo na projektu Inštituta "Tehnologije za odpornost gostitelja" (THoR), katerih cilj je odkriti vzroke za toleranco na okužbo, ki jo kažejo nekateri posamezniki ali vrste, je zdaj uspelo modelirati okužbo človeškega debelega črevesa z EHEC in vitro z uporabo mikrofluidne naprave za gojenje Organ na čipu (Organ Chip). Presenetljivo, njihov pristop je omogočil identifikacijo ključnih razlik med presnovki, ki jih proizvajajo kompleksne skupnosti komenzalnih bakterij, ki sestavljajo mikrobiom, ki je prisoten v miši v primerjavi s črevesjem debelega črevesa. Ugotovili so, da lahko štirje presnovki, ki jih na višji ravni proizvaja človeški črevesni mikrobiom, pomagajo razložiti povečano občutljivost človeškega debelega črevesa na EHEC. Študija je bila objavljena leta Mikrobiom .

"Motiviralo nas je opazovanje, da so pogosto velike občutljivosti v občutljivosti med črevesjem človeka in miši, če jih izzovemo z istim patogenom, in preteklo delo, ki je pokazalo, da je nekatere od teh razlik v toleranci na okužbo mogoče razložiti z razlikami v črevesnem mikrobiomu med temi vrstami, "je povedal ustanovni direktor Wyssovega inštituta Donald Ingber, M.D., Doktor znanosti, ki je vodil študijo. "Za neposreden napad na to težavo, uporabili smo svojo tehnologijo človeških organskih čipov in jo združili z mikrobnimi presnovki, proizvedenimi v bioreaktorjih, kot tudi metabolomična analiza, pridobiti vpogled v molekularno osnovo te razlike v občutljivosti na EHEC za to vrsto. "Ingber je tudi profesor Judah Folkman za vaskularno biologijo na Harvardski medicinski šoli (HMS) in program za vaskularno biologijo v otroški bolnišnici Boston, pa tudi profesor bioinženiringa na Harvardovi šoli za inženiring in uporabne znanosti John A. Paulson.

Ker EHEC predvsem okuži človeško debelo črevo, ekipa je najprej sestavila črevesni čip s svojo tehnologijo mikrofluidne kulture in izkoristila svoj nedavni napredek pri uporabi fragmentov črevesnega tkiva, znanih kot organoidi, kot vmesnih proizvodov za nastanek visoko funkcionalnega črevesnega epitelija, ki v napravi spontano tvori prstne izbokline, imenovane črevesne resice. V čipu debelega črevesa, epitelij debelega črevesa povezuje enega od dveh vzporednih kanalov ("črevesni luminalni kanal"), ki sta ločena s porozno membrano, prevlečeno z zunajceličnim matriksom (ECM), na katerega se celice prednostno držijo. Nasprotni kanal ("vaskularni kanal") obdajajo človeške črevesne endotelijske celice, ki posnemajo krvno žilo, ki podpira in komunicira z epitelijem debelega črevesa.

Ekipa je preizkusila, ali je celotna kompleksnost topnih molekul, ki jih proizvajajo kompleksne miši in človeške mikrobiotske skupnosti, kultivirana v bioreaktorjih, ki so posnemali debelo črevesno okolje, drugače vplivala na infektivnost EHEC v človeških črevesnih čipih. "Bilo je presenetljivo - po dodajanju presnovkov, specifičnih za človeške mikrobiome, se je človeški epitel debelega črevesa močno poškodoval z velikimi lezijami, ki so se pojavile tam, kjer so celice odmrle in se ločile od tkiva, medtem ko je bil isti človeški epitelij, izpostavljen mišičnim mikrobiomom specifičnim presnovkom, veliko manj učinkovit, "je dejal prvi avtor Alessio Tovaglieri, ki je diplomiral v Ingberjevi ekipi kot študent na ETH Zürich v Švici. "Zanimivo, patogene bakterije EHEC niso poškodovale tkiva debelega črevesa zaradi odsotnosti presnovkov mikrobiomov, in same kompleksne mešanice presnovkov v odsotnosti EHEC niso imele učinka. "

Ekipi je uspelo dokazati, da razlike v poškodbah, ki jih povzročijo presnovki mikrobiomov pri ljudeh in miših, niso posledica sprememb v vnetnih citokinih, razlike v proizvodnji toksina Shiga, ali spremembe v sposobnosti EHEC, da kolonizira epitel debelega črevesa. Da bi se približali dejanskim vzrokom, opravili so transkriptomsko analizo, analiza sprememb v izražanju genov v bakterijah EHEC po izpostavitvi presnovkom mikrobioma pri ljudeh in miših ter analiza metabolomike za ugotavljanje razlik v kemični sestavi obeh mešanic presnovkov.

"Geni, ki kodirajo beljakovine, ki delujejo v kemotaksiji EHEC in gibljivosti flagelarjev, so dosegli najvišjo oceno med vsemi geni, ki jih presnovki človeškega mikrobioma posebej povečajo, za katere se je zdelo, da povečujejo patogenost, in, zanimivo, ugotovili smo, da so bile bakterije EHEC, izpostavljene presnovkom človeškega mikrobioma, veliko bolj gibljive, "je dejal Tovaglieri. Flagele so kompleksni vitki dodatki, ki jih številne bakterije uporabljajo kot motorji, da se premikajo proti virom hrane (kemotaksija).

Od 426 presnovkov, ki so bili v obeh mešanicah presnovkov prisotni na različnih ravneh, kombinacija štirih presnovkov človeških mikrobiomov, ki so bile vse povišane v primerjavi z njihovimi koncentracijami v mišjem mikrobiomu, zadostovalo za povečanje gibljivosti EHEC v posodi. Pomembno je, zadostovali so tudi za pretvorbo običajno neškodljive presnovne mešanice mikrobioma miši v mikroorganizem, ki olajša poškodbe tkiva debelega črevesa v napravi za človeški črevesni črevesje, zaradi česar je učinkovit kot presnovki človeškega mikrobioma. Nekatere od teh istih presnovkov najdemo na veliko višjih ravneh pri otrocih, za katere je znano, da so tudi bolj občutljivi na okužbo z EHEC.

"To delo je odkrilo potencialne molekularne cilje, ki bi lahko pomagali ublažiti trpljenje pri bolnikih z EHEC, če bi lahko razvili načine za zatiranje njihove proizvodnje ali povečanje njihove odstranitve pri ljudeh. Isti pristop človeških organskih čipov v kombinaciji z metabolomiko bi lahko pomagal pri prepoznavanju drugih presnovkov, ki posredujejo zaščitne učinke in povečati toleranco do drugih okužb v prihodnosti. Prav tako nam lahko pomaga pridobiti nadaljnji vpogled v to, zakaj so nekateri posamezniki občutljivi na okužbe, drugi pa strpni, "je rekel Ingber.

• Raziskovalci ugotavljajo učinkovitejše zdravljenje raka
• Kombinirana imunosupresija je lahko učinkovita,