Ny mänsklig kolon-på-ett-chip möjliggör in vitro-studie av slemfysiologi

Vi har ett ömsesidigt men komplicerat förhållande till insamlingen av mikrober i vår tarm som kallas tarmmikrobiomet. Denna komplexa bakteriesamhälle bryter ner olika livsmedelskomponenter, och släpper ut näringsämnen som vitaminer och en uppsjö av andra faktorer som styr funktioner i vävnader långt bortom tarmkanalen. Dock, det stora antalet mikrober utgör också ett hot eftersom de kan utlösa inflammation, som antas ligga till grund för många tarmsjukdomar, inklusive inflammatorisk tarmsjukdom, strålningsinducerad tarmskada, och några cancerformer.

För att tillåta upptag av nyttiga ämnen från tarmlumen, och samtidigt förhindra tarmmikrober från att komma i kontakt med tarmens epitelvävnadsyta, specialiserade celler som kallas bägare celler producerar kontinuerligt slem, den slemmiga goo-liknande substansen som täcker hela tarmytan. Slem har hittills varit notoriskt svårt att studera:dess struktur sönderfaller snabbt i kirurgiskt avlägsnade delar av tarmen, systemet som oftast används för att studera slem, och inget in vitro-kultursystem har kunnat rekonstruera ett in vivo-liknande slemskikt med den naturliga strukturen som ses i levande tarm utanför människokroppen. Lägg till dessa svårigheter, slem skiljer sig också mellan människor och andra arter, olika delar av tarmkanalen, och även olika individer.

Nu, med fokus på tjocktarmen eller tjocktarmen som rymmer det största antalet kommensala mikrober och har det tjockaste slemskiktet, ett team av vävnadsingenjörer vid Harvards Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering har utvecklat en kolon-on-a-chip (Colon Chip) mikrofluidisk odlingsanordning kantad av patient-härledda kolonceller som spontant ackumulerar ett slemskikt med tjockleken, tvåskiktad struktur, och barriärfunktioner som vanligtvis finns i normal mänsklig kolon. Slemhinnans yta i deras modell svarar också på inflammatorisk mediator prostaglandin E2 (PGE2) genom att montera ett snabbt svullnadssvar. Deras resultat publiceras i Cellulär och molekylär gastroenterologi och hepatologi .

Vår metod ger forskare möjlighet att hitta svar på frågor om normal och sjukdomsrelaterad slembiologi, såsom dess bidrag till tarminflammatoriska sjukdomar och cancer, och komplexa värd-mikrobiom-interaktioner. Viktigt, vi använder patientbaserade celler för att radera dessa enheter och så representerar detta ett helt nytt tillvägagångssätt för personlig medicin där det kan vara möjligt att studera hur slem fungerar eller dysfunktioner hos en viss patient, och skräddarsy terapin därefter. "

Donald Ingber, M.D., Ph.D., Grundande direktör, senior utredare på studien

Ingber är också Judah Folkman professor i vaskulär biologi vid Harvard Medical School och Vascular Biology Program på Boston Children's Hospital, samt professor i bioingenjör vid Harvards John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences. Hans team är en del av ett multinstitutionellt samarbete som stöds av ett Cancer Research UK:s Grand Challenge-bidrag där hans Wyss-team undersöker hur inflammationsrelaterade förändringar bidrar till cancerbildning, inklusive tjocktarmscancer. The Grand Challenge är ett ambitiöst internationellt cancerforskningsinitiativ, stödja världsledande forskarlag för att ta sig an några av de tuffaste utmaningarna inom cancer, och ge dem friheten att prova nya tillvägagångssätt i stor skala.

Teamets tillvägagångssätt börjar med patient-härledda kolonceller från kolonresektioner och endoskopiska biopsier som först odlas som "organoider", små organiserade bollar av kolonvävnad som huvudsakligen innehåller epitelstamceller. Efter fragmentering av organoiderna, deras celler används för att fylla den övre av två parallella kanaler i ett mikrofluidiskt chip som är åtskilda av ett poröst membran. Helt enkelt genom att perfundera kanalerna kontinuerligt med näringsmedium, tjocktarmsstamcellerna växer till ett kontinuerligt ark och bildar mycket funktionella bägare -celler som utsöndrar slem.

"Att odla cellerna på chip under flöde resulterar i att cirka 15% av epitelcellerna spontant differentieras till bägare-celler. Distribueras genom epitelet, dessa producerar ett in vivo-liknande slemskikt, "sade författaren Alexandra Sontheimer-Phelps, en doktorand från universitetet i Freiburg, Tyskland, arbetar i Ingbers grupp. "På samma gång, andra epitelceller som fortsätter att dela sig fyller också på bägare cellpopulationen precis som i levande kolon, vilket innebär att chipet kan bibehållas i steady-state-förhållanden i mer än två veckor, vilket gör den mycket användbar för längre studier. "

Wyss-teamet visade att kolonepitelet i chipet är helt polariserat med distinkta markörer begränsade till dess lumenexponerade, slemutsöndrande sida och dess motsatta membranbindande sida. Dess bägare celler utsöndrar det huvudsakliga slemproteinet mucin 2 (MUC2), som när de är kopplade till komplexa kedjor av sockermolekyler, monteras i ett multimolekylärt nätverk eller en gel som tar upp vatten. "Vårt tillvägagångssätt producerar faktiskt den tvåskiktade strukturen av normalt tjocktarmsslem med ett inre tätt lager som vi visar är ogenomträngligt för bakteriehärmande partiklar som flödar genom tarmkanalen, och ett mer löst yttre lager som gör att partiklar kan komma in. Detta har aldrig uppnåtts tidigare in vitro, sa Sontheimer-Phelps.

För att undersöka slemets funktion, hon och hennes arbetskamrater avslöjade chippet för den inflammatoriska medlaren PGE2. Slemmet genomgick snabb svullnad inom några minuter och oberoende av ny slemutsöndring, och denna process av slemansamling kan visualiseras i levande kulturer genom att betrakta flisen från sidan med mörkt fältbelysning. Detta dynamiska svar kan blockeras genom att hämma en viss jonkanal, som pumpar joner in i kolonepitelet och passivt tillåter vattenmolekyler att följa och tydligen, detta driver slem svullnad när det stimuleras av signaler som PGE2.

Slem har länge ansetts vara en passiv, värdbarriär, men det blir allt tydligare att mikrobiella arter påverkar dess struktur och funktion förutom att de äter kolhydraterna som energikälla. "Vårt in vitro -system tar oss ett steg närmare att ta reda på hur enskilda bakteriearter och mer komplexa mikrobiella samhällen kan påverka slem och vice versa, liksom hur detta komplexa samspel påverkar utvecklingen av tarmsjukdomar. Vi har nu också en testbädd för att upptäcka nya terapeutiska läkemedel och probiotiska strategier som kan förhindra eller vända dessa sjukdomar, säger Ingber.

• Att äta full frukt kan sänka blodtrycket för både män och kvinnor
• Ny modell för sen debut av sepsis undersöker potentiella behandlingar för neonatal infektion