Это поднимает интересную возможность того, что анализ различий между взаимодействиями хозяина и микробиома у людей и других видов, таких как мыши, и выявление отдельных типов бактерий, которые либо защищают, либо сенсибилизируют против определенных патогенов, может привести к совершенно новым типам терапевтических подходов. Однако, хотя состав кишечного микробиома и его влияние на иммунные ответы хозяина хорошо изучены на мышах, невозможно изучить, как микробиом взаимодействует непосредственно с эпителиальными клетками, выстилающими кишечник, в строго определенных условиях, и тем самым раскрыть конкретные бактериальные штаммы. которые могут вызвать толерантность хозяина к инфекционным патогенам.
Теперь совместная команда во главе с директором-основателем Wyss Дональдом Ингбером, M.D., Ph.D. в Гарвардском институте биологической инженерии Висса и Деннис Каспер, M.D. в Гарвардской медицинской школе (HMS) использовали микрофлюидную технологию Wyss Organs-on-Chip (Organ Chip) для моделирования различных анатомических участков кишечника мыши и их симбиоза со сложным живым микробиомом in vitro. Исследователи обобщили разрушительные эффекты S. typhimurium на поверхности кишечного эпителия в сконструированном чипе толстой кишки мыши, и в сравнительном анализе микробиомов мыши и человека удалось подтвердить, что комменсальная бактерия Enterococcus faecium способствует толерантности хозяина к S. тифимуриозная инфекция.
Исследование опубликовано в Frontiers in Cellular and Infection Microbiology.
Проект был начат в рамках поддерживаемого DARPA проекта «Технологии устойчивости хозяев» (THoR) в Институте Висса, целью которого было выявить ключевой вклад в устойчивость к инфекции путем изучения различий, наблюдаемых у определенных видов животных и людей. Используя человеческий чип толстой кишки, группа Ингбера показала в предыдущем исследовании, как метаболиты, продуцируемые микробами, полученными из фекалий мыши и человека, имеют различный потенциал для воздействия на восприимчивость к инфекции энтерогеморрагическим E. возбудитель кишечной палочки.
"Биомедицинские исследования сильно зависят от животных моделей, таких как мыши, которые, несомненно, имеют огромные преимущества, но не дают возможности изучать нормальные и патологические процессы в определенном органе, таком как кишечник, крупным планом и в режиме реального времени. В этом важном доказательственном исследовании с группой Денниса Каспера подчеркивается, что наша разработанная нами платформа Intestine Chip для мышей предлагает именно эту возможность и дает возможность изучать взаимодействие хозяина и микробиома с микробиомами разных видов в строго контролируемых условиях in vitro », – сказал Ингбер. "Учитывая глубокий уровень характеристики иммунологии мышей, эта возможность может значительно помочь в продвижении работы исследователей, которые в настоящее время используют этих животных для исследования микробиома и реакции хозяина. Это позволяет им сравнивать свои результаты, которые они получают напрямую, с чипами кишечника человека в будущем, так что основное внимание может быть уделено выявлению особенностей реакции хозяина, которые наиболее актуальны для человека.«Ингбер также является профессором биологии сосудов в HMS и Бостонской детской больнице Джуды Фолкман, а также профессором биоинженерии в Гарварде. Школа инженерии и прикладных наук Полсона.
Разработка платформы мыши Intestine-on-Chip
В своем новом исследовании команда сосредоточилась на кишечном тракте мышей. «Традиционно было чрезвычайно сложно моделировать взаимодействия хозяина и микробиома вне любого организма, поскольку многие бактерии являются строго анаэробными и умирают в нормальных условиях атмосферного кислорода. Технология Organ Chip может воссоздать эти условия, и гораздо проще получить первичные кишечные и иммунные клетки от мышей, чем полагаться на биопсию человека », – сказала первый автор Франческа Газзанига, доктор философии.D., научный сотрудник, работающий между группами Ингбера и Каспера и возглавляющий проект.
Газзанига и ее коллеги выделили кишечные крипты из разных областей кишечного тракта мыши, включая двенадцатиперстную кишку, тощую кишку, подвздошную кишку и толстую кишку, провели свои клетки через промежуточный «органоидный» этап культивирования, в котором образуются и растут мелкие фрагменты ткани, которые они затем засевают в один из двух параллельных микрофлюидно перфузируемых каналов органных чипов Висса для создания специфических для региона чипов кишечника.
Второй независимо перфузируемый канал имитирует кровеносную систему и отделен от первого пористой мембраной, которая позволяет обмениваться питательными веществами, метаболитами и секретируемыми молекулами, которые кишечные эпителиальные клетки используют для связи с сосудистыми и иммунными клетками.
Поиск патогена
Затем команда отточила S. тифимуриум как возбудитель. Во-первых, они ввели патоген в эпителиальный просвет сконструированного чипа толстой кишки мыши и обобщили ключевые особенности, связанные с нарушением целостности кишечной ткани, известные из исследований на мышах, включая нарушение обычно плотных адгезий между соседними эпителиальными клетками, снижение продукции слизи, всплеск секреции ключевого воспалительного хемокина (мышиный гомолог человеческого IL-8) и изменения в экспрессии эпителиальных генов.
Параллельно они показали, что чип толстой кишки мыши поддерживает рост и жизнеспособность сложных бактериальных консорциумов, обычно присутствующих в микробиомах кишечника мыши и человека.
Объединив эти возможности, исследователи сравнили эффекты конкретных микробных консорциумов мыши и человека, которые ранее стабильно поддерживались в кишечнике мышей-гнотобиотиков, которых команда Каспера содержала в стерильных условиях.
Собрав сложные микробиомы из стула этих мышей, а затем инокулируя их в чипы толстой кишки, исследователи наблюдали вариабельность состава консорциума от чипа к чипу, что позволило им связать состав микробов с функциональным воздействием на эпителий хозяина. «Использование 16-секундного секвенирования дало нам хорошее представление о микробном составе двух консорциумов, а большое количество одного отдельного вида, Enterococcus faecium, генерируемого только одним из них в чипе толстой кишки, позволило кишечной ткани лучше переносить инфекцию, "сказал Газзанига. «Это хорошо подтвердило прошлые открытия и подтвердило наш подход как новую платформу для открытий, которую мы теперь можем использовать для исследования механизмов, лежащих в основе этих эффектов, а также вклада жизненно важных иммунных клеток в толерантность хозяина, а также инфекционных процессов с участием других патогены."
«Технология микробиоты кишечника мыши на чипе обеспечивает уникальный подход к пониманию взаимосвязи между микробиотой кишечника, иммунитетом хозяина и микробным патогеном. Эту важную взаимосвязь сложно изучить на живых животных, потому что существует так много неконтролируемых факторов. Прелесть этой системы в том, что практически все параметры, которые вы хотите изучить, можно контролировать и легко контролировать.
Эта система – очень полезный шаг вперед », – сказал Каспер, профессор медицины Уильяма Эллери Ченнинга и профессор иммунологии в HMS.
Исследователи полагают, что их сравнительный подход in vitro может выявить специфические перекрестные связи между патогенами и комменсальными бактериями с кишечными эпителиальными и иммунными клетками, и что выявленные бактерии, повышающие толерантность, могут быть использованы в будущих методах лечения, что может обойти проблему повышения устойчивости к противомикробным препаратам. патогенные бактериальные штаммы.