Новый инструмент для моделирования микробиома кишечника человека
Бактерии F. prausnitzii (синий, вверху изображения) растут над слоем барьерных клеток слизистой оболочки человека (зеленый и синий). Предоставлено: Цзяньбо Чжан.

В кишечнике человека обитает несколько тысяч штаммов бактерий. Некоторые из них связаны с болезнями, а другие благотворно влияют на здоровье человека. Выяснить точную роль каждой из этих бактерий может быть сложно, потому что многие из них не могут быть выращены в лабораторных исследованиях с использованием тканей человека.

Эта проблема особенно заметна для видов, которые не могут жить в богатой кислородом среде. Однако инженеры-биологи и механики Массачусетского технологического института разработали специальное устройство, с помощью которого они могут выращивать непереносимые кислородом бактерии в ткани, которая копирует слизистую оболочку толстой кишки, что позволяет им выжить до четырех дней.

«Мы думали, что очень важно внести в сообщество инструмент, который можно было бы использовать в этом крайнем случае», — говорит Линда Гриффит, профессор Инженерной школы факультета биологической инженерии Массачусетского технологического института. «Мы показали, что можно выращивать эти очень требовательные организмы, и мы смогли изучить их влияние на толстую кишку человека».

Используя эту систему, исследователи показали, что они могут выращивать штамм бактерий Faecalibacterium prausnitzii, который живет в кишечнике человека и защищает от воспалений. Они также показали, что эти бактерии, количество которых у пациентов с болезнью Крона часто уменьшается, по-видимому, проявляют многие из своих защитных эффектов за счет высвобождения жирной кислоты, называемой бутиратом.

Гриффит и Дэвид Трампер, профессор машиностроения Массачусетского технологического института, являются старшими авторами исследования, которое сегодня публикуется в журнале Med. Постдоки Массачусетского технологического института Цзяньбо Чжан и Ю-Джа Хуанг являются ведущими авторами статьи.

Чувствительность к кислороду

Сложную микробиомную среду кишечника человека сложно смоделировать с использованием таких животных, как мыши, отчасти потому, что мыши питаются совсем не так, как люди, — говорит Гриффит.

«Мы многому научились у мышей и других моделей животных, но есть много различий, особенно когда речь идет о микробиоме кишечника», — говорит она.

Большинство бактерий, обитающих в кишечнике человека, являются анаэробными, то есть им не требуется кислород для выживания. Некоторые из этих бактерий могут переносить низкий уровень кислорода, в то время как другие, такие как F. prausnitzii, не могут выжить при воздействии кислорода, что затрудняет их изучение в лаборатории. Некоторые исследователи разработали устройства, в которых они могут выращивать клетки толстой кишки человека вместе с бактериями, которые переносят низкий уровень кислорода, но они не работают для F. prausnitzii и другие микробы с высокой непереносимостью кислорода.

Чтобы решить эту проблему, команда Массачусетского технологического института разработала устройство, позволяющее точно контролировать уровень кислорода в каждой части системы. Их устройство содержит канал, покрытый клетками слизистой оболочки толстой кишки человека. Ниже этих клеток закачиваются питательные вещества, чтобы клетки оставались живыми. Этот нижний слой богат кислородом, но концентрация кислорода уменьшается к верху слоя клеток слизистой оболочки, подобно тому, что происходит внутри толстой кишки человека.

Новый инструмент для моделирования микробиома кишечника человека
На этой схеме показано новое устройство, созданное инженерами Массачусетского технологического института, позволяющее им выращивать ткань толстой кишки человека вместе с непереносимыми кислородом бактериями, которые обычно живут в пищеварительном тракте человека. Предоставлено: Цзяньбо Чжан.

Так же, как и в толстой кишке человека, барьерные клетки в канале выделяют плотный слой слизи. Команда MIT показала, что F. prausnitzii может образовывать облака клеток во внешнем слое этой слизи и выживать там до четырех дней в среде, которая не содержит кислорода за счет протекающей через нее жидкости. Эта жидкость также содержит питательные вещества для микробов.

Используя эту систему, исследователи смогли показать, что F. prausnitzii действительно влияет на клеточные пути, участвующие в воспалении. Они заметили, что бактерии производят короткоцепочечную жирную кислоту, называемую бутиратом, которая, как ранее было показано, уменьшает воспаление. После повышения уровня бутирата в клетках слизистой оболочки наблюдалось снижение активности пути, называемого NF каппа B. Это снижение успокаивает воспаление.

«В целом этот путь был сокращен, что действительно похоже на то, что люди видели у людей», — говорит Чжан. «Кажется, что бактерии снижают чувствительность клеток млекопитающих, чтобы они не слишком остро реагировали на опасности во внешней среде, поэтому бактерии успокаивают воспаление».

У пациентов с болезнью Крона часто снижается уровень F. prausnitzii, и предполагается, что отсутствие этих бактерий способствует гиперактивному воспалению, наблюдаемому у этих пациентов.

Когда исследователи добавили в систему бутират без бактерий, это не вызвало всех тех эффектов, которые они наблюдали при наличии бактерий. Это говорит о том, что некоторые эффекты бактерий могут быть вызваны другими механизмами, которые исследователи надеются изучить в дальнейшем.

Микробы и болезни

Исследователи также планируют использовать свою систему для изучения того, что происходит, когда они добавляют другие виды бактерий, которые, как считается, играют роль в болезни Крона, чтобы попытаться дополнительно изучить влияние каждого вида.

В сотрудничестве с Алессио Фазано, начальником отделения детской гастроэнтерологии и питания Массачусетской больницы общего профиля, они также планируют провести исследование по выращиванию слизистой оболочки пациентов с целиакией и другими желудочно-кишечными расстройствами. Затем эту ткань можно было бы использовать для изучения воспаления, вызванного микробами, в клетках с различным генетическим фоном.

«Мы надеемся получить новые данные, которые покажут, как микробы и воспаление взаимодействуют с генетическим фоном хозяина, чтобы увидеть, могут ли быть люди с генетической предрасположенностью к тому, что микробы могут мешать слизистому барьеру. немного больше, чем другие люди, — говорит Гриффит.

Она также надеется использовать устройство для изучения других типов слизистых оболочек, в том числе барьеров женских половых путей, таких как шейка матки и эндометрий.




Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *