Теперь команда Института Висс по биологической инженерии при Гарвардском университете во главе с директором-основателем Института Висс Дональдом Ингбером, доктором философии, и членом факультета Висса Джеймсом Коллинзом, доктором философии, воспользовалась преимуществами Института. запатентованная технология «человеческие органы на чипе» для микротехнической разработки модели воспаления кишечника человека и избыточного бактериального роста в человеческом кишечнике на чипе. Прогресс, описанный в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), впервые позволяет ученым анализировать, как нормальные кишечные микробы и патогенные бактерии способствуют иммунным ответам, и исследовать механизмы ВЗК в контролируемой модели, которая воспроизводит кишечник человека. физиология.
«Считается, что хроническое воспаление кишечника вызвано аномальными взаимодействиями между кишечными микробами, эпителиальными клетками кишечника и иммунной системой, но до сих пор было невозможно определить, как каждый из этих факторов способствует развитию кишечных заболеваний кишечника», сказал Хюн Чон Ким, доктор философии, бывший научный сотрудник Wyss Technology и первый автор исследования, говоря об ограничениях обычных in vitro и животных моделей избыточного бактериального роста и воспаления кишечника.Однако технология человеческого кишечника на чипе обеспечивает идеальную микросреду для имитации естественных условий кишечника человека на небольшой контролируемой платформе in vitro. Человеческий кишечник на чипе был впервые изобретен в Институте Висса в 2012 году. Изготовленное из прозрачного гибкого полимера размером с компьютерную карту памяти, микрожидкостное устройство с полыми каналами имитирует физическую структуру, микросреду и перистальтику. волны движения и поток жидкости в кишечнике человека.
В этом последнем достижении, опубликованном в PNAS, команда Wyss показала, что уникальная способность человеческого кишечника-на-чипе совместно культивировать кишечные клетки с живыми микробами из нормального кишечного микробиома в течение длительного периода времени, до двух недель, может позволить сделать прорыв в понимании того, как микробные сообщества, которые процветают в наших желудочно-кишечных трактах, способствуют здоровью и болезням человека.«Открытие микробиома и его значения представляет собой огромный сдвиг парадигмы в нашем понимании здоровья человека — на нас и в нас живет больше микробов, чем в наших собственных клетках», — сказал Ингбер, который также является профессором сосудистой системы Джуды Фолкмана. Биология в Гарвардской медицинской школе и Программа сосудистой биологии в Бостонской детской больнице, а также профессор биоинженерии Гарвардской школы инженерии и прикладных наук им. Джона А. Полсона. «До сих пор использование традиционных методов культивирования и даже более сложных культур органоидов препятствовало изучению микробиома дольше одного или двух дней.
С нашим человеческим кишечником на чипе мы можем не только культивировать нормальный микробиом кишечника для расширенного раз, но мы также можем анализировать вклад патогенов, иммунных клеток, сосудистого и лимфатического эндотелия, а также моделировать конкретные заболевания, чтобы понять сложные патофизиологические реакции кишечного тракта ».«Еще многое предстоит узнать о ВЗК, а также о том, как антибиотики влияют на микробиом», — сказал Коллинз, который также является профессором медицинской инженерии и науки в Массачусетском технологическом институте. «Эта технология позволяет изолированно и контролируемым образом изучать сложность микробиома и роль, которую различные виды микробов играют в здоровье и болезнях. Следовательно, это очень ценная платформа для исследований и усилий по клиническому переводу».Развитие уже привело к новым открытиям во внутренней работе кишечного тракта человека и его иммунных реакциях. Было обнаружено, что четыре небольших белка, которые стимулируют воспаление (называемые цитокинами), работают в тандеме, вызывая воспалительные иммунные реакции, которые повреждают и раздражают кишечник.
Это открытие может открыть новый потенциальный терапевтический путь к лечению ВЗК путем одновременного «блокирования» этих цитокиновых белков.Команда Wyss также изучила роль потока жидкости и волнообразного перистальтического движения кишечника в поддержании динамического равновесия микробиома кишечника, обнаружив, что отсутствие перистальтического движения может привести к безудержному разрастанию бактерий, совершенно независимо от изменений в потоке жидкости. . Это может помочь объяснить, почему у некоторых пациентов с ВЗК и другими состояниями развивается избыточный бактериальный рост, например, у пациентов, у которых развивается кишечная непроходимость, которая является синдромом, который может возникнуть после хирургического вмешательства на кишечнике, когда наблюдается длительная задержка способности организма возобновлять нормальные перистальтические движения.
Команда Wyss считает, что способность человеческого кишечника-на-чипе культивировать микробиом с клетками кишечника человека также является многообещающей для области точной медицины, где собственные клетки пациента и микробиота кишечника могут однажды культивироваться внутри кишечника. -on-a-chip для тестирования различных методов лечения и определения индивидуальной стратегии лечения.«Раньше микробиом и его роль в здоровье человека в значительной степени определялись путем изучения экспрессии их генов, но теперь, благодаря возможности проводить эксперименты на людях in vitro, касающиеся взаимодействия микробиома, кишечных клеток человека и иммунных компонентов человека, мы надеемся — получить гораздо более глубокое понимание основных патофизиологических механизмов, которые, как мы надеемся, приведут к разработке новых и более эффективных методов лечения », — сказал Ингбер.