Menschlichen Darm microbiome Physiologie kann nun untersucht werden, in vitro-Organ-Chip-Technologie
Das menschliche mikrobiom, die riesige Sammlung von Mikroben, die Leben in und auf unserem Körper, die zutiefst beeinflusst die menschliche Gesundheit und Krankheit. Die menschliche Darmflora im besonderen harbor die dichteste Anzahl von Mikroben, nicht nur brechen Nährstoffe und release-Moleküle, die wichtig für unser überleben, sondern sind auch key-Player in der Entwicklung von vielen Krankheiten, einschließlich Infektionen, entzündliche Darmerkrankungen, Krebs -, Stoffwechsel-Erkrankungen, Autoimmun-Erkrankungen und neuropsychiatrische Störungen.
Das meiste, was wir wissen über das humane-mikrobiom-Interaktion basiert auf korrelative Studien, die zwischen Krankheitszustand und bakterielle DNA in Stuhl-Proben mit genomischer oder metagenomische Analyse. Dies ist, weil das Studium den direkten Interaktionen zwischen dem mikrobiom Darm-Gewebe außerhalb des menschlichen Körpers eine enorme Herausforderung darstellt, im großen Teil, weil auch Kommensale Bakterien neigen dazu, zu überwuchern und töten menschliche Zellen innerhalb eines Tages gewachsen, wenn auf Kultur Speisen. Viele Kommensale Mikroben im Darm sind auch anaerob, und so erfordern sehr niedrigen Sauerstoff-Bedingungen zu wachsen, die verletzen können menschliche Zellen.
Ein Forscherteam an der Harvard Wyss Institut für Biologisch Inspirierte Engineering führte durch das Institut Gründungsdirektor Donald Ingber hat eine Lösung entwickelt, um dieses problem mithilfe der „organ-on-a-chip‘ (Orgel-Chip) Mikrofluidik-Kultur-Technologie. Sein team ist nun in der Lage, um Kultur einen stabilen Komplex das menschliche mikrobiom, die in direktem Kontakt mit einem vaskularisierten menschlichen intestinalen Epithels für mindestens 5 Tage in einem menschlichen Darm-Chip, in dem ein Sauerstoff-Gradienten etabliert ist, bietet ein hohes Maß an das Endothel und Epithel, während die Aufrechterhaltung hypoxischen Bedingungen im darmlumen bewohnt von den Kommensalen Bakterien. Ihre „anaerobe Darm-Chip“ stabil gehalten “ bedeutet, dass mikrobielle Vielfalt, ähnlich wie in menschlichen Exkrementen über Tage und eine schützende physiologische Barriere, gebildet durch die menschliche darmgewebe. Die Studie ist veröffentlicht in der Natur der Biomedizinischen Technik.
„Die wichtigsten Paradigmenwechsel in der Medizin in den vergangenen zehn Jahren hat sich die Anerkennung der großen Rolle, die das mikrobiom spielt in Gesundheit und Krankheit. Diese neue anerobic-Darm-Chip-Technologie bietet jetzt eine Möglichkeit zu studieren klinisch relevanten menschlichen Wirt-mikrobiom-Interaktion auf zellulärer und molekularer Ebene unter stark kontrollierten Bedingungen in vitro“, sagte Ingber, M. D., Ph. D., ist auch der Judah Folkman Professor für Vaskuläre Biologie an der Harvard Medical School (HMS) und der Vaskulären Biologie-Programm an der Boston-Kinderklinik, und Professor für Bioengineering an der SEE. „Durch direkten Zugriff auf das mikrobiom und differenzierten intestinalen Gewebe, diese Methode kann verwendet werden, um zu entdecken, bestimmten Mikroorganismen oder deren Metaboliten, die Krankheiten verursachen oder das könnte helfen, zu verhindern, dass diese Bedingungen, und weil wir die Verwendung von Zellen aus Patienten isolierten, dieser Ansatz könnte verwendet werden, um die personalisierte Medizin.“
„Früher wurden die Gewebekultur-Systemen, hat bei der Aufstellung Interaktionen zwischen dem menschlichen mikrobiom-Darm-Epithelzellen in vitro waren beschränkt in Ihrer Nützlichkeit, weil Sie nicht wachsen, werden die zwei Komponenten in direktem Kontakt zu einer anderen, und nicht imitieren die Darm der niedrigen Sauerstoff-Konzentrationen entscheidend für das überleben der anaeroben Bakterien,“ sagte ersten Autor Sasan Jalili-Firoozinezhad, ein Student geteilt zwischen Ingber team am Wyss-Institut und co-Autor Joaquim Cabral, Ph. D., Professor an der Universität Lissabon, Portugal. Weiter verkompliziert die Dinge: Sie Reisen entlang der Dünndarm in Richtung Dickdarm, die Sauerstoff-Niveaus kontinuierlich fallen, die auch änderungen der lokalen mikrobiom-Zusammensetzung.
Für Ihre anaerobe Darm-Chip, den team nutzte seine bewährten Darm-Chip mit zwei parallelen Mikrokanälen, getrennt durch eine poröse Membran. Sie wuchs menschlichen intestinalen Epithelzellen auf der Oberseite der Membran in den oberen Kanal und vaskulären Endothelzellen von Darm-Mikrogefäßen auf der gegenüberliegenden Seite der Membran in den unteren Kanal. Der Darm-Zellen verwendet, um diese Darm-Chips wurden entweder aus einer Zelle, Zeile oder stammen aus menschlichen ileum-Biopsien und erweitert durch eine intermediate-organoid Schritt, in dem Sie entstanden sind winzige, kugelförmige Darm-Gewebe-Strukturen, die gebrochen in Fragmente, bevor Sie kultivierten in den chip.
Für eine vollständige mikrobiom, das team platziert die Darm-Chips in einem speziell entwickelten anaeroben Kammer, daß Sie erlaubt, die drastisch niedrigeren Sauerstoff-Konzentrationen in den oberen Darm-Epithelzellen-Kanal, während gleichzeitig die geringeren endothelialen Kanal bei normalen Sauerstoff-Konzentrationen. „Wir erzeugten eine Sauerstoff-Gradienten zwischen den beiden Kanälen, die immer noch erlaubt, die das intestinale Epithel unterstützt werden mit Sauerstoff diffundiert durch die poröse Membran,“, sagte co-Erstautor Elizabeth Calamari, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Ingber ‚ s team, entwickelt das Gerät mit Wyss Senior Staff Engineer und co-Autor Richard Novak, Ph. D. „außerdem, wir versehen den Darm Chips mit optischen sensoren, die melden können, lokaler Sauerstoff-Konzentrationen in beiden Kanälen in Echtzeit ohne Störung des Sauerstoff-Gefälle.“
Komplexe Darm microbiome Proben entweder gewonnen aus gesunden menschlichen Stuhl und stabil kultiviert in germ-free (gnotobiotic) Mäuse oder frisch isoliert vom Säugling Hocker, wurden dann injiziert in den oberen epithelialen Kanal, wo kamen Sie in direkten Kontakt mit der Schleimschicht auf Natürliche Art von der zugrunde liegende Darm-Epithel. Noch wichtiger ist, die Vielfalt der Kommensale bakterielle Populationen, die beim Anbau unter diesen sauerstoffarmen Bedingungen, erhalten den Reichtum beobachtet, in den menschlichen Darm. „Wir zeigten, dass durch die Genom-Analyse konnten wir die Kultur über 200 verschiedene Gruppen von Bakterien für mehrere Tage, – Häufigkeiten und-Quoten von obligat anaeroben Bakterien, ähnlich jenen, die im menschlichen Stuhl“, sagte Jalili-Firoozinezhad. „Wichtig ist, die komplette mikrobiom weiter verbessert die Barrierefunktion der intestinalen Epithel mit seinen Zellen, die eine Dichte Versiegelung und produzieren einen schützenden Schleim Schicht, die eine wichtige Voraussetzung für die Darmgesundheit.“
In der Lage seiend zu betrachten, die Zusammensetzung und änderungen des kompletten menschlichen microbiomes in direktem Kontakt mit dem menschlichen darmgewebe in vitro und über Tage eröffnet Chancen für die personalisierte Medizin und drug testing. „Wir können die Kultur-region-spezifischen intestinalen Gewebe und microbiomes von der gleichen Person zu finden, die Verbände, die Ursache der Empfindlichkeit oder Toleranz gegenüber bestimmten pathogenen, entzündliche und systemische Erkrankungen“, sagte co-Erstautor Francesca Gazzaniga, Ph. D., ein Postdoctoral Fellow gemeinsam zwischen Ingber group und co-Autor Dennis Kasper, M. D., Professor von Immunologie an der HMS. „Mit der anaeroben Darm-Chip, wir können auch testen, die direkte Wirkung von Drogen auf das menschliche mikrobiom, bevor Sie zu den Menschen.“
Andere Autoren auf der Studie sind gegenwärtige und ehemalige Mitglieder der Ingber die Gruppe und die Wyss-Institut-Mitarbeiter, einschließlich Senior informatik-Wissenschaftler Diogo Camacho, Ph. D;; Klinischer Fellow Cicely Fadel, M. D., Ph. D;; Postdoctoral Fellow Amir Bein, Ph. D;; Wissenschaftliche Hilfskräfte Ben Swenor, Michael Cronce und Bret Nestor; Graduate Student Alessio Tovaglieri; ehemalige Mitarbeiter, Wissenschaftler, Oren Levy, Ph. D., M. B. A; sowie Katherine Gregory, Ph. D., RN, Executive Director für Frauen und Neugeborene Gesundheit am Brigham and Women ‚ s Hospital; und David Breault, M. D., Ph. D., Associate Professor an der HMS und Boston Children ‚ s Hospital. Die Studie wurde finanziert von der Harvard Wyss Institut für Biologisch Inspirierte Engineering, die Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT), Portugal, die US-Federal Drug Administration, die DARPA-Technologien für Host-Resilienz (THoR) initiative, und die Rechnung & Melinda-Gates-Stiftung.