Narządy na układach dostarczają nowych informacji na temat przepuszczalności jelit
Miniaturowy model in vitro, zwany narządem na układzie, umożliwił badaczom pracującym przy projekcie IMBIBE(odnośnik otworzy się w nowym oknie) odtworzenie składników ludzkiej osi mikrobiom-jelito-mózg. Projekt ten był finansowany przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych(odnośnik otworzy się w nowym oknie). 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(odnośnik otworzy się w nowym oknie), koordynatorka projektu. Niektóre wyniki projektu zostały już opublikowane(odnośnik otworzy się w nowym oknie), a osiągnięcia zespołu zostały również przedstawione w BBC(odnośnik otworzy się w nowym oknie). „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(odnośnik otworzy się w nowym oknie), 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(odnośnik otworzy się w nowym oknie) (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(odnośnik otworzy się w nowym oknie). „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(odnośnik otworzy się w nowym oknie) 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(odnośnik otworzy się w nowym oknie) 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.
