Микробиом человека в анаэробном «кишечнике на чипе»

СЛОЖНЫЙ МИКРОБИОМ КИШЕЧНИКА ЧЕЛОВЕКА, КУЛЬТИВИРУЕМЫЙ В АНАЭРОБНОМ «КИШЕЧНИКЕ НА ЧИПЕ»

Рис. 1. Бактерии человеческого кишечного микробиома (желтого цвета) населяют кишечный эпителиальный канал анаэробного кишечного чипа, который поддерживает кишечно-подобные низкие концентрации кислорода. Бактерии непосредственно прикрепляются к плотному слою слизи, вырабатываемой кишечным эпителием. Credit: Wyss Institute at Harvard University.

 Физиология микробиома кишечника человека теперь может быть изучена in vitro с помощью технологии органных чипов

Исследовательская группа разработала подход к совместной культивации сложного микробиома кишечника человека в непосредственном контакте с кишечной тканью в течение не менее пяти дней с использованием технологии микрофлюидной культуры "орган-на-чипе" (Organ Chip). Анаэробный кишечный органный чип человека (далее, кишечный чип или Organ Chip) поддерживает сложный кишечный микробиом при низком содержании кислорода, что позволяет проводить прямые исследования состояния здоровья и связанных с болезнью взаимодействий человека с микробиомом.

Открыты огромные перспективы для персонализированной медицины!!!

Микробиом человека - огромная коллекция микробов, которые живут внутри и на нашем теле, глубоко влияет на здоровье человека и болезни. В частности, флора кишечника человека, которая содержит наибольшее количество микробов, не только расщепляет питательные вещества и высвобождает молекулы, важные для нашего выживания, но также является ключевыми игроками в развитии многих заболеваний, включая инфекции, воспалительные заболевания кишечника, рак, метаболические заболевания, аутоиммунные заболевания и нервно-психические расстройства.

Большинство из того, что мы знаем о взаимодействии человека и микробиома, основано на корреляционных исследованиях между состоянием болезни и бактериальной ДНК, содержащейся в образцах стула, с использованием геномного или метагеномного анализа. Это связано с тем, что изучение непосредственных взаимодействий между микробиомом и кишечной тканью вне человеческого тела представляет собой серьезную проблему, в значительной степени потому, что даже комменсальные бактерии имеют тенденцию перерастать и убивать человеческие клетки в течение дня при выращивании на культуральных чашках. Многие из комменсальных микробов в кишечнике также анаэробны, и поэтому они требуют очень низких кислородных условий для роста, которые могут повредить человеческие клетки.

Исследовательская группа Гарвардского института биологической инженерии Wyss, возглавляемая директором-основателем Института Дональдом Ингбером (Donald E. Ingber), разработала решение этой проблемы с использованием технологии микрофлюидной культуры «орган-на-чипе» (Organ Chip). Его команда теперь может культивировать стабилизированный сложный человеческий микробиом в непосредственном контакте с васкуляризированным человеческим кишечным эпителием в течении не менее 5 дней в кишечном чипе, в котором установлен градиент кислорода, который обеспечивает высокие уровни для эндотелия и эпителия при сохранении гипоксических условий в кишечном просвете, населенном комменсальными бактериями. Их "анаэробный кишечный чип" стабильно поддерживал микробное разнообразие, сходное с таковым в человеческом кале в течение нескольких дней, и защитный физиологический барьер, который формировался кишечной тканью человека. Исследование было опубликовано в  Nature Biomedical Engineering.

"Главным изменением парадигмы в медицине за последнее десятилетие стало признание огромной роли, которую микробиом играет в здоровье и болезнях. Эта новая технология anerobic Intestine Chip ("анаэробный кишечный чип") теперь предоставляет способ изучения клинически значимых взаимодействий человеческого хозяина и микробиома на клеточном и молекулярном уровнях в условиях высокого контроля in vitro”, - сказал Ингбер, доктор медицинских наук, который является также профессором сосудистой биологии Джуда Фолкмана (Judah Folkman) в Гарвардской медицинской школе (HMS) и по программе биологии сосудов в Бостонской детской больнице, а также профессором биоинженерии в Гарвардской школе инженерных и прикладных наук Джона А. Полсона (Harvard John A. Paulson School). «Обеспечивая прямой доступ к микробиому и дифференцированной кишечной ткани, этот метод можно использовать для обнаружения определенных микробов или их метаболитов, которые вызывают заболевание или могут помочь предотвратить эти состояния, и поскольку мы используем клетки, выделенные из пациентов, этот подход можно использовать и для персонализированной медицины…».

«Более ранние системы тканевых культур, которые были нацелены на перепросмотр взаимодействий между человеческим микробиомом и эпителиальными клетками кишечника in vitro, были ограничены в своей полезности, потому что они не могли выращивать два компонента в прямом контакте друг с другом, и не имитировали низкие концентрации кислорода в кишечнике, которые имели решающее значение для выживания анаэробных бактерий», сказал первый автор Сасан Джалили-Фирузинежад (Sasan Jalili-Firoozinezhad), аспирант, работающий с командой Ингбера в Институте Висса и соавтором исследования Жоакимом Кабралой (Joaquim Cabral), доктором наук, профессором Лиссабонского университета, Португалия. Еще более усложняющие вещи: путешествуя по тонкой кишке к толстой кишке, уровень кислорода постоянно падает, что также меняет местный состав микробиома.

Рис. 2. Дизайн анаэробного кишечного чипа, который заполнен кишечным эпителием (бежевого цвета), покрытым слоем слизи (зеленого цвета) в его верхнем канале и похожим на кровеносный сосуд эндотелием (красным) в его нижнем канале. Среды непрерывно протекают через каналы, и перистальтические движения перемещаются на их боковые стороны посредством применения циклического всасывания к полым боковым камерам. Градиент кислорода с низкими концентрациями кислорода в кишечном эпителиальном канале и нормальными концентрациями кислорода в эндотелиальном канале позволяет стабильно поддерживать сложный микробиом человека в просвете верхнего канала. Credit: Wyss Institute at Harvard University.

Для их анаэробного кишечного чипа команда использовала свой апробированный кишечный чип, содержащий два параллельных микроканала, разделенных пористой мембраной. Они выращивали клетки эпителия кишечника человека на верхней части мембраны в верхнем канале и клетки эндотелия сосудов из микрососудов кишечника на противоположной стороне мембраны в нижнем канале. Кишечные клетки, используемые для линии этих чипов кишечника, были либо из клеточной линии, либо были получены из биопсий подвздошной кишки человека и размножены через промежуточную органоидную стадию, на которой они сформировали крошечные сферические структуры кишечной ткани, которые были разбиты на фрагменты перед культивированием в чипе.

Чтобы вместить полный микробиом, команда поместила кишечный чип в специально разработанную анаэробную камеру, которая позволила им резко снизить концентрацию кислорода в верхнем кишечном эпителиальном канале, поддерживая при этом нижний эндотелиальный канал при нормальной концентрации кислорода. «Мы сгенерировали градиент кислорода по двум каналам, который по-прежнему позволяет поддерживать эпителий кишечника кислородом, диффундирующим через пористую мембрану», - сказала соавтор Элизабет Каламари (Elizabeth Calamari), ассистент по исследованиям в команде Ингбера, которая разработала устройство с инженером Института Висса и соавтором, Ричардом Новаком (Richard Novak). «Кроме того, мы оснастили кишечный чип оптическими датчиками, которые могут сообщать о локальных концентрациях кислорода в обоих каналах в режиме реального времени, не нарушая градиент кислорода».

Рис. 3. Механически активный кишечный чип человека. Кишечный эпителий человека с его ворсиноподобной структурой и эндотелий сосудов человека выстилаются на противоположных сторонах гибкой мембраны под действием потока и перистальтических движений (фиолетовые стрелки). Это искусственное микроокружение кишечника подвергается сложным взаимодействиям (обозначенным синими стрелками на схеме увеличения внизу) с микробиомом кишечника, бактериальными патогенами и иммунными клетками. Credit: Wyss Institute at Harvard University

Сложные образцы микробиома кишечника, полученные из здорового человеческого стула и стабильно культивируемые на бесплодных (гнотобиотических) мышах или недавно выделенные из детского стула, затем вводились в верхний эпителиальный канал, где они вступали в прямой контакт со слоем слизи, естественным образом секретируемым нижележащим кишечным эпителием. Что еще более важно, разнообразие популяций симбиозных (комменсальных) бактерий, выращенных в условиях низкого содержания кислорода, поддерживало богатство, наблюдаемое в кишечнике человека. “Мы показали с помощью анализа генома, что мы можем культивировать более 200 различных групп бактерий в течение нескольких дней с обилием и соотношением облигатных анаэробных бактерий, подобных тем, которые наблюдаются в стуле человека", - сказал Джалили-Фирузинежад. "Важно отметить, что полный микробиом еще более усилил барьерную функцию кишечного эпителия с его клетками, обеспечивающими плотное уплотнение и создающими защитный слой слизи, что является важной предпосылкой для здоровья кишечника.”

Возможность взглянуть на состав и изменения полных микробиомов человека при непосредственном контакте с тканью кишечника in vitro и в течение нескольких дней открывает возможности для персонализированной медицины и тестирования лекарств. “Мы можем культивировать специфичные для региона кишечные ткани и микробиомы от одного и того же человека, чтобы найти ассоциации, которые вызывают чувствительность или толерантность к конкретным патогенным, воспалительным и системным заболеваниям”, - сказал соавтор Франческа Газзанига, доктор философии, который является Постдокторантом, разделяемым между группой Ингбера и соавтором Деннисом Каспером, доктором медицины, профессором иммунологии в HMS. “С помощью анаэробного чипа кишечника мы также можем проверить прямое воздействие лекарств на микробиом человека, прежде чем давать их людям.”

ССЫЛКИ НА ВИДЕО ПО РАССМАТРИВАЕМОЙ ТЕМЕ:

ВИДЕО №1

Видео 1. Это короткое видео объясняет, как дизайн чипов позволяет им эмулировать функции на уровне органов. Credit: Wyss Institute at Harvard University

ВИДЕО №2

Видео 3. Это видео показывает, как низкое содержание кислорода в анаэробном чипе кишечника позволяет создать сложный микробиом человека с бактериями, которые проявляются в виде крошечных движущихся точек, существующих в прямом контакте с эпителиальными клетками кишечника. Credit: Wyss Institute at Harvard University

Источник: Материалы предоставлены Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering в Гарварде.

Статья в журнале: Sasan Jalili-Firoozinezhad, Elizabeth L. Calamari, Joaquim M. S. Cabral, Richard Novak, Donald E. Ingber, et al. A complex human gut microbiome cultured in an anaerobic intestine-on-a-chip. Nature Biomedical Engineering, May 13, 2019