En ny enhet för modellering av människans tarms komplexa mikrobiom -miljö

Flera tusen bakteriestammar lever i människans tarm. Några av dessa är associerade med sjukdom, medan andra har positiva effekter på människors hälsa. Att ta reda på den exakta rollen för var och en av dessa bakterier kan vara svårt, eftersom många av dem inte kan odlas i laboratoriestudier med mänsklig vävnad.

Denna svårighet är särskilt uttalad för arter som inte kan leva i syrerika miljöer. Dock, MIT biologiska och mekaniska ingenjörer har nu konstruerat en specialiserad enhet där de kan odla de syreintoleranta bakterierna i vävnad som replikerar tjocktarmen i tjocktarmen, så att de kan överleva i upp till fyra dagar.

Vi tyckte att det var verkligen viktigt att bidra med ett verktyg till samhället som kan användas för detta extrema fall. Vi visade att du kan odla dessa mycket krångliga organismer, och vi kunde studera effekterna de har på den mänskliga tjocktarmen. "

Linda Griffith, Ingenjörshögskolan Professor i undervisningsinnovation vid MIT:s institution för biologisk teknik

Med hjälp av detta system, forskarna visade att de kunde odla en bakteriestam som heter Faecalibacterium prausnitzii, som lever i människans tarm och skyddar mot inflammation. De visade också att dessa bakterier, som ofta minskar hos patienter med Crohns sjukdom, verkar utöva många av deras skyddande effekter genom frisättning av en fettsyra som kallas butyrat.

Griffith och David Trumper, en MIT -professor i maskinteknik, är seniorförfattarna till studien, som visas idag i tidningen Med . MIT postdocs Jianbo Zhang och Yu-Ja Huang är huvudförfattare till tidningen.

Syrekänslighet

Människans tarms komplexa mikrobiom -miljö är svår att modellera med hjälp av djur som möss, delvis för att möss äter en helt annan kost än människor, Säger Griffith.

"Vi har lärt oss enormt mycket av möss och andra djurmodeller, men det finns många skillnader, särskilt när det gäller tarmmikrobiomet, " hon säger.

De flesta bakterier som lever i människans tarm är anaeroba, vilket betyder att de inte kräver syre för att överleva. Några av dessa bakterier tål låga syrehalter, medan andra, Till exempel F. prausnitzii , kan inte överleva syreexponering, vilket gör det svårt att studera dem i ett laboratorium. Vissa forskare har utformat enheter där de kan odla mänskliga kolonceller tillsammans med bakterier som tål låga syrehalter, men dessa fungerar inte bra för F. prausnitzii och andra mycket syreintoleranta mikrober.

För att övervinna detta, MIT -teamet utformade en enhet som gör det möjligt för dem att exakt styra syrenivåerna i varje del av systemet. Deras enhet innehåller en kanal som är belagd med celler från den mänskliga slemhinnebarriären i tjocktarmen. Under dessa celler, näringsämnen pumpas in för att hålla cellerna vid liv. Detta bottenlager är syrerikt, men syrekoncentrationen minskar mot toppen av slemhinnecellskiktet, på samma sätt som det som händer i det inre av den mänskliga tjocktarmen.

Precis som de gör i den mänskliga tjocktarmen, barriärcellerna i kanalen utsöndrar ett tätt slemlager. MIT -teamet visade det F. prausnitzii kan bilda moln av celler i det yttre lagret av detta slem och överleva där i upp till fyra dagar, i en miljö som hålls syrefri genom att vätska strömmar över den. Denna vätska innehåller också näringsämnen för mikroberna.

Med hjälp av detta system, forskarna kunde visa det F. prausnitzii påverkar cellvägar som är involverade i inflammation. De observerade att bakterierna producerar en kortkedjig fettsyra som kallas butyrat, som tidigare har visat sig minska inflammation. Efter att butyratnivåerna steg, slemhinnecellerna visade en minskning av aktiviteten hos en väg som kallas NF kappa B. Denna minskning lugnar inflammation.

"Övergripande, denna väg har reducerats, som verkligen liknar vad människor har sett hos människor, "Säger Zhang." Det verkar som om bakterierna avkänsliggör däggdjurscellerna för att inte överreagera på farorna i den yttre miljön, så inflammationsstatusen lugnas av bakterierna. "

Patienter med Crohns sjukdom har ofta minskade nivåer av F. prausnitzii , och bristen på dessa bakterier antas bidra till den överaktiva inflammationen som ses hos dessa patienter.

När forskarna lade till butyrat i systemet, utan bakterier, det genererade inte alla effekter som de såg när bakterierna var närvarande. Detta tyder på att vissa av bakteriens effekter kan utövas genom andra mekanismer, som forskarna hoppas kunna undersöka vidare.

Mikrober och sjukdomar

Forskarna planerar också att använda sitt system för att studera vad som händer när de lägger till andra bakteriearter som man tror spelar en roll vid Crohns sjukdom, att försöka undersöka effekterna av varje art ytterligare.

De planerar också en studie, arbetar med Alessio Fasano, avdelningschef för pediatrisk gastroenterologi och näring vid Massachusetts General Hospital, att odla slemhinnevävnad från patienter med celiaki och andra gastrointestinala störningar. Denna vävnad kan sedan användas för att studera mikrobeinducerad inflammation i celler med olika genetiska bakgrunder.

"Vi hoppas få ny data som visar hur mikroberna och inflammationen fungerar med värdens genetiska bakgrund, för att se om det kan finnas människor som har en genetisk känslighet för att mikrober stör slemhinnebarriären lite mer än andra människor, "Säger Griffith.

Hon hoppas också kunna använda enheten för att studera andra typer av slemhinnebarriärer, inklusive de hos kvinnliga reproduktiva kanaler, såsom livmoderhalsen och endometrium.

• Studien hittar tecken på tarmdysbios hos personer med Huntingtons sjukdom
• Studien undersöker specifika risker för magcancer bland etniska populationer