Nyfödd musmodell ger ledtrådar till orsaken till förödande tarmsjukdom i anemiska preemier

Läkare har länge misstänkt att transfusioner av röda blodkroppar som ges till för tidigt födda barn med anemi kan sätta dem i fara för att utveckla nekrotiserande enterokolit, eller NEC, en potentiellt dödlig inflammatorisk sjukdom i tarmarna. Dock, fasta bevis för sambandet har delvis varit svårt att få på grund av avsaknaden av en praktisk djurmodell som exakt kan representera vad som fysiskt händer när ett barn får NEC.

En laboratoriemus matar sina nyfödda valpar som är ungefär lika stora som en fjärdedel och väger mindre än ett uns. En forskargrupp ledd av Johns Hopkins Medicine har övervunnit tidigare problem med att arbeta med möss för att utveckla en modell för att studera en förödande gastrointestinal sjukdom som drabbar för tidigt födda barn med anemi. Upphovsman:Jackson Laboratory

Nu, forskare vid Johns Hopkins Medicine rapporterar att de har utvecklat den modellen - som antas vara den första i sitt slag - med spädbarnsmöss, eller valpar, som först görs anemiska och sedan ges blodtransfusioner från nyfödda av en annan musstam. Den nya metoden, säger forskarna, efterliknar vad som händer när blodtransfusioner ges till mänskliga spädbarn från en icke-relaterad donator.

En beskrivning av musmodellen, tillsammans med betydande fynd och potentiella fördelar med den första användningen, publiceras i en ny tidning i tidskriften Naturkommunikation .

Vi behövde en fungerande levande musmodell för att lära oss om en blodtransfusion ensam leder till NEC eller om det bara händer om transfusionen ges när anemi är närvarande. "

Akhil Maheshwari, M.D., Professor i pediatri vid Johns Hopkins University School of Medicine, chef för neonatologi vid Johns Hopkins Children's Center, och Seniorförfattare till forskningsrapporten

Sett hos cirka 10% till 12% av spädbarn som väger mindre än 3,5 pund vid födseln, NEC är en snabbt utvecklande gastrointestinal nödsituation där bakterier invaderar tjocktarmen, orsakar inflammation som i slutändan kan förstöra frisk vävnad på platsen. Om tillräckligt med celler nekrotiseras (dödas) för att ett hål resulterar i tarmväggen, fekalt material kan komma in i blodomloppet och orsaka livshotande sepsis.

Sedan 2004 har Maheshwari säger, forskningsstudier har upprepade gånger visat att spädbarn födda i förtid som är allvarligt anemiska - de med en andel röda blodkroppar till en total blodvolym mellan 20% och 24% vid födseln - kan utveckla NEC inom 48 timmar efter att de fått en transfusion av röda blodkroppar. Som jämförelse, American Academy of Pediatrics säger att spädbarn som levereras vid termin normalt har röda blodkroppar mellan 42% och 65%, sjunker till mellan 31% och 41% vid 1 års ålder.

På jakt efter en användbar och praktisk musmodell, Maheshwari och hans kollegor var tvungna att övervinna ett storleksproblem.

”Nyfödda musvalpar är ungefär lika stora som en fjärdedel och väger mindre än ett uns, så det är extremt svårt att ta bort tillräckligt med blod från dem för laboratorier att analysera, ”Säger Maheshwari.

För att komma förbi det hindret, ett privat företag för medicinsk diagnostisk utrustning donerade användningen av sitt avancerade blodanalyssystem som bara kräver ett prov på 5 mikroliter (5 miljoner liter) istället för de 50 mikroliter - 60% av en musvalps totala blodtillförsel - som de flesta testlaboratorier kräver .

Nästa, forskarna utformade ett förfarande för att framkalla svår anemi hos valparna genom att ta bort ungefär hälften av deras blodvolym varannan dag i 10 dagar efter födseln. Detta sjönk deras röda blodkroppar till ungefär samma nivåer som hos allvarligt anemiska nyfödda barn.

Sju dagar efter födseln, forskarna introducerade bakterier som isolerats och odlats från ett för tidigt spädbarn med NEC. Till sist, transfusioner av röda blodkroppar gavs den elfte dagen efter födseln.

Under de närmaste 48 timmarna, forskarna letade efter utveckling av NEC-liknande symptom i sin experimentella grupp och tre andra uppsättningar musvalpar:(1) en kontrollgrupp utan ingripande, (2) en grupp utan anemi som fick transfusioner och (3) en grupp med anemi men inte transfunderades.

Endast de allvarligt anemiska valparna som fick blodtransfusioner visade tarmskador som liknade mänsklig NEC med nekros, inflammation och separation av vävnaderna som stöder tjocktarmen i tjocktarmen. Nästa steg var att se om vi kunde hitta en mekanism för varför detta inträffade. "

Akhil Maheshwari, M.D

Undersöker ungarnas blod med NEC-liknande tillstånd efter att de transfunderats, forskarna upptäckte att den innehöll tre komponenter som inte syns i de andra testmössens blod:(1) ett stort antal makrofager, immuncellerna som uppslukar och smälter cellulärt skräp, bakterier och virus, (2) fritt cirkulerande hemoglobin, de järnbaserade molekylerna som normalt bär syre i hela kroppen när de är fästa vid röda blodkroppar, och (3) förhöjda nivåer av inflammationsinducerande proteiner, vilket indikerar att makrofagerna hade aktiverats även utan ett biologiskt hot mot tarmen.

Forskarna observerade också att nivåerna av haptoglobin, ett protein som tar bort fritt hemoglobin från blodet, var extremt låga.

"Dessa fynd tyder på att anemi minskar mängden haptoglobin hos det nyfödda, förhindra att det fria hemoglobinet som kommer in via transfusion tas bort ordentligt som vanligt, ”Säger Maheshwari.

Vad som tydligen händer, han säger, är att fritt hemoglobin fäster till en proteinreceptor på tarmväggen som är samma plats där bakteriella gifter binder. Som ett resultat, immunsystemet tror felaktigt att tarmen attackeras och aktiverar makrofagerna.

När immuncellerna har börjat fungera, Maheshwari förklarar, de utlöser frisättningen av de inflammatoriska proteinerna som ses i blodet hos anemierna, transfuserade möss. "Den händelsen startar en dubbel whammy på tarmväggen, " han säger. "Först, makrofagproteinerna tänder och försvagar vävnaderna, gör dem sårbara, och då, bakterier rör sig in och producerar endotoxiner som dödar de enskilda cellerna. ”

Med bevis för en trolig mekanism för att förklara sambandet mellan anemi och transfusion i utvecklingen av NEC, forskarna försökte sedan bekräfta det genom att se om de kunde blockera två av dess etapper, och kanske, främja sökningen efter potentiella terapier.

I en rättegång, vi gav haptoglobin till våra modellanemiska möss innan vi transfunderade dem och blockerade makrofagaktivering, så de utvecklade inte NEC-liknande symptom. "

Akhil Maheshwari, M.D

I ett annat test, nanopartiklar som Samuel Wickline, M.D., och hans kollegor vid University of South Florida utvecklade användes för att leverera ett genetiskt avbrott - en RNA -molekyl känd som ett litet störande RNA, eller siRNA - som blockerar den kemiska signalen som säger till makrofager att börja producera inflammatoriska proteiner. Nanopartiklarna märktes med ett fluorescerande färgämne för att spåra deras rörelse och inkluderade en giftfri förening som härrör från honungsbi.

Maheshwari säger att makrofagerna i blodet hos anemiska musvalpar uppslukade nanopartiklarna och innesluter dem i vakuoler. Biviftderivatet, han förklarar, bröt upp vakuolerna så att siRNA kunde frigöras inuti makrofagerna.

Den genetiska signalblockeraren fungerade bra, Wickline säger, skydda de anemiska musvalparna från tarminflammation efter transfusioner av röda blodkroppar.

”Eftersom vi visade att de hämmande nanopartiklarna med siRNA kunde styra en huvudregulator för inflammation i NEC, kanske kan denna teknik en dag tillämpas för att inte bara behandla eller förebygga NEC, men andra sjukdomar där inflammation spelar en nyckelroll såsom artrit och åderförkalkning, " han säger.

Maheshwari säger att han hoppas att den nya musmodellen och resultaten från den aktuella studien kan användas för att utveckla blodbiomarkörer som kan indikera vilka mänskliga nyfödda som är mest utsatta för att utveckla NEC.

• Studie visar hur cervicovaginal mikrobiom kan framkalla resistens mot klamydia
• Forskare identifierar ärftlig risk för mutation i bukspottskörtelcancer