Organ-on-a-Chip bietet Erkenntnisse über die Durchlässigkeit des Darms
Mit einem In-vitro-Modell in Miniaturgröße, einem sogenannten Organ-on-a-Chip, konnte das Projekt IMBIBE Komponenten der menschlichen Mikrobiom-Darm-Hirn-Achse replizieren. Dieses Projekt wurde vom Europäischen Forschungsrat finanziert. Im Rahmen des Projekts sollte untersucht werden, inwieweit eine intakte Epithelbarriere mit einer Schleimschicht Voraussetzung dafür ist, dass nützliche Mikroben den Darm besiedeln können, ohne dass das Immunsystem des Wirts reagiert. „Unsere Lösung zum Nachweis des Prinzips ermöglicht ein tieferes Verständnis der Gewebedurchlässigkeit, die oft falsch verstanden und falsch dargestellt wird“, sagt die Projektkoordinatorin Róisín Owens. Einige Projektergebnisse wurden bereits veröffentlicht, die Arbeit wurde außerdem von der BBC vorgestellt. „Forschende wollen jetzt unser Modell nutzen, um wirklich dringende Probleme zu erforschen, von Infektionen im Darm bis hin zu der Frage, wie Multiple Sklerose dort entstehen könnte“, ergänzt Owens von der Universität Cambridge, an der das Projekt angesiedelt ist.
Die Gratwanderung des Darms
Während der Entwicklung des menschlichen Fötus entsteht eine halbdurchlässige Schleimbarriere zum Magen-Darm-Trakt, die wichtige Nährstoffe und Moleküle durchlässt, während Krankheitserreger und Toxine zurückgehalten werden. Diese „schließt“ sich etwa vier Monate nach der Geburt. Wenn dieses Gleichgewicht im Darm gestört ist, kann es zu einer undichten Barriere kommen, die mit Erkrankungen wie entzündlichen Darmerkrankungen und Autismus in Verbindung gebracht wird, die alle zunächst durch eine Darmentzündung gekennzeichnet sind. Zwar gibt es Hinweise darauf, dass vielfältige Mikrobenarten im Darm Entzündungen lindern können, doch fehlt es an Möglichkeiten, diesen Zusammenhang zu erforschen. „Wir wissen, dass Mikroben von Nährstoffen aus dem Darm profitieren, die sie fermentieren und dabei Verbindungen produzieren, die der Gesundheit von Darm und Gehirn zugute kommen. Doch trotz der Daten aus Humanstudien, die auf den Nutzen bioaktiver Produkte hindeuten, ist wenig darüber bekannt, welche Bakterienstämme am besten geeignet sind oder wie sich Veränderungen der Darmmikrobiota auf das Gehirn auswirken“, erklärt Owens.
Das transmembrane E-Gerät
Unter Verwendung mehrerer menschlicher Zelltypen entwarf IMBIBE ein Organ-on-a-Chip-Modell des Darmepithels und der Neurovaskulatur (Blut-Hirn-Schranke), um die Durchlässigkeit der Gewebeschranke elektronisch zu messen. Dabei wurden schwammartige 3D-Gerüste aus flüssigen, leitfähigen Polymeren konstruiert, die sowohl Zellen beherbergen als auch elektrisch überwachen können. Stromazellen wurden in das poröse Gerüst ausgesät, wobei Epithel- oder Endothelzellen geschichtet wurden, um die gastrointestinale Barriere zu bilden, die bei ihrer Differenzierung einen zusätzlichen elektrischen Widerstand erzeugen. Das Zellwachstum und die Adhäsion an das Gerüst wurden anhand der Veränderungen der Leitfähigkeit des Polymers, gemessen durch elektrische Impedanzspektroskopie, aufgezeichnet. „Wir haben erfolgreich die Umgebung nachgebildet, die von schleimproduzierenden Darmzellen geschaffen wird, sodass Mikrobiom-Bakterien neben menschlichen Zellen wachsen können, ohne dass durch direkten Kontakt eine Entzündung ausgelöst wird“, merkt Owens an. Das Zellwachstum und die Differenzierung wurden etwa vier Wochen lang kontinuierlich gemessen. „Biochemische Analysen von Proben oberhalb und unterhalb der porösen Gerüste geben Aufschluss darüber, wie bakterielle Produkte durch das Gewebe transportiert werden könnten, während die Widerstandskraft der Gewebebarriere über Datenanalyse und Modellierung erfasst werden kann“, erläutert Owens. Bildgebende Studien wurden ebenfalls durchgeführt, um die Modelle zu validieren und weitere Ressourcen für Forschende bereitzustellen.
Für personalisiertere Medizin
Die Modelle von IMBIBE basieren auf Mikrotiterplatten mit hängenden Einsätzen. So können sie auf Transportassays übertragen werden, auf denen Verbindungen erfasst werden, die Gewebebarrieren passieren können und möglicherweise sehr vorteilhaft für die Hirngesundheit sind. Die Plattform lässt auf eine stärker personalisierte Medizin hoffen, um beispielsweise die Wirksamkeit und Sicherheit von Probiotika oder Fäkalientransplantationen zu testen und zu untersuchen, wie sich die Ernährung auf die Gesundheit von Darm und Gehirn auswirkt. Das Team plant nun, neben einer größeren Zellvielfalt auch menschliche Stammzellen zu verwenden und gleichzeitig weitere Arten von Mikrobiom-Bakterien zu züchten, darunter auch Proben von Menschen mit entzündlicher Darmkrankheit. „Die neurovaskuläre Einheit hat uns große Probleme bereitet. Letztendlich haben wir es wohl geschafft, aber hier ist mehr Arbeit notwendig, damit die Einheit laborgeeignet ist“, fügt Owens hinzu.
Schlüsselbegriffe
IMBIBE, Model-on-a-Chip, Darm, Epithel, Zellen, Mikrobiom-Darm-Hirn-Achse, Schleim, Magen-Darm, neurovaskulär, Mikrobiom, Bakterien, Probiotika
