Narządy na układach dostarczają nowych informacji na temat przepuszczalności jelit
Miniaturowy model in vitro, zwany narządem na układzie, umożliwił badaczom pracującym przy projekcie IMBIBE odtworzenie składników ludzkiej osi mikrobiom-jelito-mózg. Projekt ten był finansowany przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych. Jego celem było zbadanie, w jaki sposób nienaruszona bariera nabłonkowa wraz z warstwą śluzu, jest niezbędna dla pożytecznych drobnoustrojów do zasiedlenia jelit bez uruchamiania układu odpornościowego gospodarza. „Nasze sprawdzone rozwiązanie oferuje pogłębione zrozumienie przepuszczalności tkanek, często źle rozumianej i błędnie interpretowanej”, mówi Róisín Owens, koordynatorka projektu. Niektóre wyniki projektu zostały już opublikowane, a osiągnięcia zespołu zostały również przedstawione w BBC. „Naukowcy chcą teraz wykorzystać nasz model do zbadania wielu kluczowych zagadnień, od infekcji w jelitach, a skończywszy na przesłankach wskazujących, że stwardnienie rozsiane może mieć swój początek właśnie w tym narządzie wewnętrznym”, dodaje Owens, badaczka Uniwersytetu w Cambridge, gospodarza projektu.
Równowaga w jelitach
Podczas rozwoju płodowego człowieka w przewodzie pokarmowym powstaje półprzepuszczalna bariera śluzowa, która przepuszcza niezbędne składniki odżywcze i cząsteczki, jednocześnie ograniczając przedostawanie się patogenów i toksyn do organizmu. Po około czterech miesiącach po porodzie dochodzi do jej zamknięcia. Zakłócenie tej równowagi w jelitach skutkuje nieszczelną barierą i zostało powiązane z zaburzeniami, takimi jak nieswoiste zapalenie jelit (IBD) i zaburzenia ze spektrum autyzmu (ASD), które początkowo charakteryzują się stanem zapalnym jelit. Choć dowody naukowe sugerują, że istnienie różnorodnych gatunków drobnoustrojów w jelitach może łagodzić stany zapalne, brakuje narzędzi pozwalających na badanie tych procesów. „Wiemy, że mikroorganizmy czerpią korzyści ze składników odżywczych w jelitach, które poddają fermentacji, wytwarzając związki korzystne dla zdrowia jelit i mózgu. Jednak pomimo danych z badań z udziałem ludzi sugerujących korzyści płynące z bioaktywnych produktów, niewiele wiadomo na temat tego, które szczepy bakterii są najlepsze lub w jaki sposób zmiany mikroflory jelitowej wpływają na mózg”, wyjaśnia Owens.
Elektroniczne urządzenie transmembranowe
Wykorzystując wiele rodzajów ludzkich komórek, zespół projektu IMBIBE opracował model nabłonka jelitowego i układu nerwowego i krwionośnego (bariera krew-mózg) na układzie w celu elektronicznego pomiaru przepuszczalności bariery tkankowej. Gąbczaste rusztowania 3D zostały skonstruowane przy użyciu ciekłych polimerów przewodzących, które mogą zarówno być nośnikiem komórek, jak i służyć do monitorowania ich zachowania elektrycznego. Komórki zrębu zostały wysiane na porowate rusztowanie, następnie komórki nabłonka lub śródbłonka zostały ułożone warstwowo w celu utworzenia bariery żołądkowo-jelitowej, tworząc dodatkowy opór elektryczny w miarę różnicowania. Rozwój komórek i ich przyleganie do rusztowania rejestrowano na podstawie zmian przewodności polimeru, mierzonej za pomocą spektroskopii impedancji elektrycznej. „Udało nam się odtworzyć środowisko stworzone przez komórki wytwarzające śluz jelitowy, który umożliwia bakteriom mikrobiomu rozwój u boku ludzkich komórek bez wywoływania stanu zapalnego w wyniku bezpośredniego kontaktu”, zauważa Owens. Wzrost i różnicowanie komórek były mierzone w sposób ciągły przez około cztery tygodnie. „Analizy biochemiczne próbek z góry i dołu porowatych rusztowań pokazują, w jaki sposób produkty bakteryjne mogą być transportowane przez tkanki, podczas gdy analiza danych i modelowanie pozwalają mierzyć opór bariery tkankowej”, wyjaśnia Owens. Przeprowadzono również badania obrazowe w celu weryfikacji modeli, a także zapewnienia dodatkowych zasobów dla badaczy.
Droga do bardziej spersonalizowanej medycyny
Modele opracowane w ramach projektu IMBIBE zostały oparte na płytkach wielodołkowych z wiszącymi wkładkami, które mogą być przenoszone do testów transportowych mierzących związki zdolne do przekraczania barier tkankowych i potencjalnie bardzo korzystnie wpływające na zdrowie mózgu. Platforma daje nadzieję na bardziej spersonalizowaną medycynę, na przykład umożliwiając testowanie skuteczności i bezpieczeństwa probiotyków lub przeszczepów kału, a także odkrywanie, w jaki sposób dieta wpływa na zdrowie jelit i mózgu. Zespół planuje teraz wykorzystać ludzkie komórki macierzyste, zwiększyć różnorodność komórek, a także hodować więcej rodzajów bakterii mikrobiomu, w tym z próbek od osób cierpiących na nieswoiste zapalenie jelit. „Stworzenie modułu neuronaczyniowego było ogromnym wyzwaniem. Wydaje nam się, że udało nam się to osiągnąć, ale zanim będzie gotowy do użycia w laboratorium potrzeba więcej pracy”, dodaje Owens.
Słowa kluczowe
IMBIBE, model chipowy, jelito, nabłonek, komórki, oś mikrobiom-jelito-mózg, śluz, układ pokarmowy, układ nerwowo-naczyniowy, mikrobiom, bakterie, probiotyk
