Mänskliga mikrobiometaboliter förbättrar kolonskada av enterohemorragisk E. coli,

studie visar Det är fortfarande mystiskt varför människor smittas av vissa bakteriella eller virala patogener relativt enkelt medan djur som har mycket liknande vävnader och immunfunktioner inte gör det. Denna klyfta är också anledningen till att forskare ofta möter problem i sina ansträngningar att modellera patogena sjukdomar i djurmodeller, som möss, och varför läkemedel som utvecklats med denna metod ofta misslyckas hos människor.

Ett slående exempel på artsspecifika skillnader i tolerans mot infektion kan ses i svaret på enterohemorrhagic E coli (EHEC) bakterier, som är ansvariga för mer än 100, 000 infektioner per år enbart i USA, och orsaken till blodig diarré (resediarré), kolit och hemolytiskt uremiskt syndrom (HUS) - ett allvarligt tillstånd som får njurarna att misslyckas efter att de stöter på EHECs Shiga -toxin. I åratal har det varit känt att det tar 100, 000 gånger högre antal patogena EHEC-bakterier för att infektera möss jämfört med människor, och att möss inte utvecklar symtom på sjukdomen om inte djuren odlas under speciella bakteriefria förhållanden där de saknar ett normalt kommensalt tarmmikrobiom.

Ett tvärvetenskapligt team av biologiska ingenjörer, mikrobiologer, och systembiologer vid Harvards Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering som arbetar med institutets DARPA-stödda "Technologies for Host Resilience" (THoR) -projekt, vars mål det är att avslöja orsakerna till tolerans mot infektion som uppvisas av vissa individer eller arter, har nu lyckats modellera infektion av mänsklig tjocktarm med EHEC in vitro med användning av en mikro-flytande Organ-on-a-Chip (Organ Chip) odlingsanordning. Förvånande, deras tillvägagångssätt möjliggjorde identifiering av viktiga skillnader mellan metaboliterna som produceras av de komplexa gemenskaperna av kommensala bakterier som består av mikrobiomet som finns i musen mot mänsklig kolon. De fann att fyra metaboliter som produceras på högre nivåer av tarmmikrobiomet i människan kan hjälpa till att förklara den ökade känsligheten hos mänsklig kolon mot EHEC. Studien publicerades i Mikrobiom .

"Vi motiverades av observationen att det ofta finns enorma skillnader i känslighet mellan människans och musens tarm när de utmanas med samma patogen, och tidigare arbete som har visat att några av dessa skillnader i tolerans mot infektion kan förklaras av skillnader i tarmmikrobiomet mellan dessa arter, "sade Wyss Institute grundande direktör Donald Ingber, M.D., Ph.D., som ledde studien. "För att attackera detta problem direkt, vi utnyttjade vår human Organ Chip -teknik och kombinerade den med mikrobiella metaboliter som produceras i bioreaktorer, samt metabolomisk analys, för att få insikt i den molekylära grunden för denna artsspecifika skillnad i känslighet för EHEC. "Ingber är också Judah Folkman professor i vaskulär biologi vid Harvard Medical School (HMS) och Vascular Biology Program på Boston Children's Hospital, samt professor i bioingenjör vid Harvards John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences.

Eftersom EHEC främst infekterar den mänskliga tjocktarmen, laget monterade först ett kolonchip med sin mikrofluidiska kulturteknik och utnyttjade deras senaste framsteg när det gäller att använda tarmvävnadsfragment som kallas organoider som mellanprodukter mot genereringen av ett mycket funktionellt tarmepitel som spontant bildar fingerliknande utsprång som kallas intestinal villi i enheten. I Colon Chip, kolonepitelet leder en av två parallella kanaler ("intestinal luminalkanal") som separeras av ett poröst membran belagt med en extracellulär matris (ECM) till vilken celler företrädesvis fäster. Den motsatta kanalen ("kärlkanalen") kantas av mänskliga tarmendotelceller som efterliknar ett blodkärl som stöder och kommunicerar med kolonepitelet.

Teamet testade om hela komplexiteten hos lösliga molekyler som produceras av komplexa mus- och mänskliga mikrobiotal -samhällen odlade i bioreaktorer som efterliknade tjocktarmsmiljön på olika sätt påverkade EHEC -smittsamhet i de mänskliga kolonchipsen. "Det var slående - efter tillägg av humana mikrobiompecifika metaboliter skadades det mänskliga kolonepitelet svårt med stora skador som uppträdde där celler dog och lossnade från vävnaden, medan samma humana epitel som utsattes för musmikrobiomspecifika metaboliter påverkades mycket mindre, "sade författaren Alessio Tovaglieri, som utförde sitt examensarbete i Ingbers team som student vid ETH Zürich i Schweiz. "Intressant, de patogena EHEC -bakterierna skadade inte kolonvävnaden i frånvaro av mikrobiometaboliter, och de komplexa metabolitblandningarna själva hade ingen effekt i frånvaro av EHEC. "

Teamet kunde visa att skillnaderna i skador som utlöstes av mikrobiommetaboliter från människor och mus inte berodde på förändringar i inflammatoriska cytokiner, skillnader i Shiga -toxinproduktion, eller förändringar i EHEC:s förmåga att kolonisera kolonepitelet. För att komma närmare de verkliga grundorsakerna, de utförde transkriptomanalys, analysera förändringar i genuttryck i EHEC -bakterierna vid exponering för mikrobiommetaboliter från människor och mus och metabolomicsanalys för att identifiera skillnader i den kemiska sammansättningen av de två metabolitblandningarna.

"Gener som kodar för proteiner som verkar i EHEC -kemotaxi och flagellär motilitet fick högst poäng bland alla gener specifikt uppreglerade av den humana mikrobiomens metaboliter som tycktes förbättra patogenicitet, och, intressant, vi fann att EHEC -bakterier utsatta för den humana mikrobiomens metaboliter var mycket mer rörliga, "sade Tovaglieri. Flageller är de komplexa smala bilagorna som många bakterier använder som motorer för att flytta sig mot matkällor (kemotaxi).

Av 426 metaboliter som fanns på olika nivåer i de två metabolitblandningarna, en kombination av fyra humana mikrobiometaboliter, som alla var förhöjda jämfört med deras nivåer i musmikrobiomet, var tillräcklig för att öka EHEC -rörligheten i en maträtt. Viktigt, de var också tillräckliga för att omvandla den normalt oskyldiga musmikrobiomens metabolitblandning till en som underlättar skada på tjocktarmvävnad i den mänskliga kolonchipanordningen, vilket gör den lika effektiv som den humana mikrobiomens metaboliter. Några av samma metaboliter finns på mycket högre nivåer hos barn som också är kända för att vara mer känsliga för EHEC -infektion.

"Detta arbete har avslöjat potentiella molekylära mål som kan hjälpa till att lindra lidande hos patienter med EHEC om vi skulle kunna utveckla sätt att undertrycka deras produktion eller förbättra deras avlägsnande hos människor. Samma humana Organ Chip -tillvägagångssätt i kombination med metabolomik kan hjälpa till att identifiera andra metaboliter som medierar skyddande effekter och öka toleransen för andra infektioner i framtiden. Det kan också hjälpa oss att få ytterligare insikt om varför vissa individer är känsliga för infektioner medan andra är toleranta, sa Ingber.

• Forskare identifierar en mer effektiv behandling för cancer
• Kombinerat immunsuppression kan vara effektivt,