Nytt system möjliggör realtidsobservationer av enskilda celler i tjocktarmen

Biomedicinska ingenjörer vid Duke University har utvecklat ett system som möjliggör realtidsobservationer av enskilda celler i tjocktarmen hos en levande mus.

Forskare förväntar sig att förfarandet tillåter nya undersökningar av matsmältningssystemets mikrobiom samt orsakerna till sjukdomar som inflammatorisk tarmsjukdom och tjocktarmscancer och deras behandlingar.

Förfarandet beskrivs online den 11 december i Naturkommunikation innebär att kirurgiskt implantera ett genomskinligt fönster i musens bukhud ovanför tjocktarmen. Liknande inställningar används redan för att tillåta levande titt på hjärnans detaljerade inre funktioner, ryggrad, lever, lungor och andra organ. Imaging en levande kolon, dock, är ett slipperier -förslag.

En hjärna rör sig inte mycket, men kolon gör det vilket gör det svårt att få detaljerade bilder ner till en enda cell. Vi har utvecklat ett magnetiskt system som är tillräckligt starkt för att stabilisera tjocktarmen på plats under avbildning för att uppnå denna upplösningsnivå, men kan snabbt stängas av så att tjocktarmen kan röra sig fritt. "

Xiling Shen, Hawkins Family Docent i biomedicinsk teknik vid Duke University

Immobilisera kolon för avbildning är en knepig uppgift för traditionella metoder som lim eller stygn. I bästa fall kan de orsaka inflammation som skulle förstöra de flesta experiment. I värsta fall kan de orsaka hinder, som snabbt kan döda musen som studeras.

För att klara denna fråga, Shen utvecklade en magnetisk enhet som ser ut som en liten metallnäsremsa och säkert kan fästas på tjocktarmen. Ett magnetfält snäpper fast tjocktarmen på plats och håller det stabilt under avbildning, men stängde av en gång, lämnar tjocktarmen fri att röra sig och fungera som vanligt.

Ett viktigt organ som rymmer mycket av matsmältningssystemets mikrobiom, tjocktarmen kan drabbas av sjukdomar som inflammatorisk tarmsjukdom, funktionella gastrointestinala störningar och cancer. Det spelar också en nyckelroll för att reglera immunsystemet, och kan kommunicera direkt med hjärnan genom sakrala nerver.

"Det finns ett stort behov av att bättre förstå kolon, eftersom den kan drabbas av så många sjukdomar och spelar så många roller med betydande hälsokonsekvenser, "Sa Shen. I studien, Shen och hans kollegor genomförde flera principprövade experiment som ger utgångspunkter för framtida forskningsområden.

Forskarna koloniserade först en levande musmassa med E. coli -bakterier, härstammar från patienter med Crohns sjukdom, som hade märkts med fluorescerande proteiner. Forskarna visade sedan att de kunde spåra migrationen, bakteriens tillväxt och nedgång i mer än tre dagar. Denna förmåga kan hjälpa forskare att förstå inte bara hur antagonistiska bakterier drabbar tjocktarmen, Shen säger, men de positiva rollerna probiotika kan spela och vilka stammar som bäst kan hjälpa människor med gastrointestinala störningar.

I nästa experiment, möss uppföddes med flera typer av fluorescerande immunceller. Forskarna inducerade sedan inflammation i tjocktarmen och såg noga på aktiveringen av dessa immunceller. Shen säger, detta tillvägagångssätt kan användas med olika typer av immunceller och sjukdomar för att få en bättre förståelse för hur immunsystemet reagerar på utmaningar.

Shen och hans kollegor visade sedan att de kunde märka och spåra kolonepitelstamceller associerade med kolorektal cancer under strålbehandling. De demonstrerade också att de kunde se nerver i hela tjocktarmen svara på sakral nervstimulering, en framväxande terapi för behandling av motilitet och immunsjukdomar såsom funktionella gastrointestinala störningar och irritabel tarmstörning.

"Även om vi vet att elektrisk stimulering av de sakrala nerverna kan lindra symptomen på dessa gastrointestinala störningar, vi har för närvarande ingen aning om varför eller något sätt att optimera dessa behandlingar, "Shen sa." Att kunna se hur kolonns neuroner reagerar på olika vågformer, frekvenser och amplituder för stimulering kommer att vara ovärderliga för att göra detta tillvägagångssätt till ett bättre alternativ för fler patienter. "

• Immunceller reparerar skadad tarm hos barn med IBD
• Ny forskning kan hjälpa till att vägleda framtida behandling av alkoholfri fet leversjukdom