El microbioma humano, la gran colección de microbios que viven dentro y en nuestro cuerpo, afecta profundamente la salud y la enfermedad humana. La flora intestinal humana en particular, que alberga la mayor cantidad de microbios, no solo descompone los nutrientes y libera moléculas importantespara nuestra supervivencia, pero también somos actores clave en el desarrollo de muchas enfermedades, incluidas infecciones, enfermedades inflamatorias intestinales, cáncer, enfermedades metabólicas, enfermedades autoinmunes y trastornos neuropsiquiátricos.
La mayor parte de lo que sabemos sobre las interacciones humano-microbioma se basa en estudios correlacionales entre el estado de la enfermedad y el ADN bacteriano contenido en muestras de heces utilizando análisis genómico o metagenómico. Esto se debe a que estudiar las interacciones directas entre el microbioma y el tejido intestinal fuera del cuerpo humano representaun desafío formidable, en gran parte porque incluso las bacterias comensales tienden a crecer y matar células humanas en un día cuando se cultivan en platos de cultivo. Muchos de los microbios comensales en el intestino también son anaeróbicos, por lo que requieren condiciones de oxígeno muy bajas para crecer.puede dañar las células humanas.
Un equipo de investigación del Instituto Wyss de Ingeniería Biológica de Harvard, dirigido por el Director Fundador del Instituto, Donald Ingber, ha desarrollado una solución a este problema utilizando la tecnología de cultivo microfluídico 'Organ-on-a-chip' Organ Chip. Su equipo ahora escapaz de cultivar un microbioma humano complejo estable en contacto directo con un epitelio intestinal humano vascularizado durante al menos 5 días en un chip de intestino humano en el que se establece un gradiente de oxígeno que proporciona altos niveles al endotelio y al epitelio mientras mantiene condiciones hipóxicas en el intestinoluz habitada por las bacterias comensales. Su "chip de intestino anaeróbico" mantuvo establemente una diversidad microbiana similar a la de las heces humanas durante días y una barrera protectora fisiológica que fue formada por el tejido intestinal humano. El estudio se publica en Ingeniería biomédica de la naturaleza .
"El principal cambio de paradigma en la medicina durante la última década ha sido el reconocimiento del enorme papel que juega el microbioma en la salud y la enfermedad. Esta nueva tecnología de chip de intestino anaeróbico ahora proporciona una forma de estudiar las interacciones clínicamente relevantes entre el huésped y el microbioma humano enlos niveles celulares y moleculares en condiciones altamente controladas in vitro ", dijo Ingber, MD, Ph.D., también es el profesor de Biología Vascular Judah Folkman en la Escuela de Medicina de Harvard HMS y el Programa de Biología Vascular en el Boston Children's Hospital, yProfesor de Bioingeniería en SEAS. "Al proporcionar acceso directo al microbioma y al tejido intestinal diferenciado, este método puede usarse para descubrir microbios específicos o sus metabolitos que causan enfermedades o que podrían ayudar a prevenir estas afecciones, y porque usamos células aisladas de pacientes, este enfoque podría usarse también para la medicina personalizada "
"Los sistemas de cultivo de tejidos anteriores que tenían como objetivo recapitular las interacciones entre el microbioma humano y las células epiteliales intestinales in vitro tenían una utilidad limitada porque no podían hacer crecer los dos componentes en contacto directo entre sí y no imitaban el bajo nivel de oxígeno del intestinoconcentraciones cruciales para la supervivencia de las bacterias anaerobias ", dijo el primer autor Sasan Jalili-Firoozinezhad, un estudiante graduado compartido entre el equipo de Ingber en el Instituto Wyss y el del coautor Joaquim Cabral, Ph.D., profesor de la Universidad de Lisboa., Portugal. Para complicar aún más las cosas: viajando a lo largo del intestino delgado hacia el colon, los niveles de oxígeno caen continuamente, lo que también cambia la composición local del microbioma.
Para su chip de intestino anaeróbico, el equipo aprovechó su chip de intestino probado que contiene dos microcanales paralelos separados por una membrana porosa. Crecieron células epiteliales intestinales humanas en la parte superior de la membrana en el canal superior y células endoteliales vasculares de microvasos intestinales en ellado opuesto de la membrana en el canal inferior. Las células intestinales utilizadas para revestir estos chips intestinales eran de una línea celular o se obtuvieron de biopsias de íleon humano y se expandieron a través de un paso organoide intermedio en el que formaron pequeñas estructuras esféricas de tejido intestinal.que se dividieron en fragmentos antes de ser cultivados en el chip.
Para acomodar un microbioma completo, el equipo colocó los chips de intestino en una cámara anaeróbica diseñada a medida, que les permitió reducir drásticamente las concentraciones de oxígeno en el canal epitelial del intestino superior, mientras mantenían el canal endotelial inferior a concentraciones normales de oxígeno ".generó un gradiente de oxígeno a través de los dos canales que aún permite que el epitelio intestinal sea soportado con oxígeno que se difunde a través de la membrana porosa ", dijo la coautora Elizabeth Calamari, Asistente de Investigación en el equipo de Ingber que diseñó el dispositivo con el Ingeniero Senior de Wyss ycoautor Richard Novak, Ph.D. "Además, equipamos los chips intestinales con sensores ópticos que pueden informar las concentraciones locales de oxígeno en ambos canales en tiempo real sin alterar el gradiente de oxígeno".
Las muestras complejas de microbioma intestinal obtenidas de heces humanas sanas y cultivadas de manera estable en ratones libres de gérmenes gnotobióticos o recién aisladas de heces infantiles, se inyectaron en el canal epitelial superior, donde entraron en contacto directo con la capa mucosa de forma natural.secretada por el epitelio intestinal subyacente. Más importante aún, la diversidad de las poblaciones bacterianas comensales, cuando crecieron en estas condiciones de bajo oxígeno, mantuvo la riqueza observada en el intestino humano. "Mostramos a través del análisis del genoma que podíamos cultivar más de 200 grupos distintos de bacterias"Durante varios días con abundantes y proporciones de bacterias anaerobias obligatorias similares a las observadas en las heces humanas", dijo Jalili-Firoozinezhad. "Es importante destacar que el microbioma completo mejoró aún más la función de barrera del epitelio intestinal con sus células proporcionando un sello hermético y produciendo uncapa protectora de moco, que es un requisito previo importante para la salud intestinal "
Ser capaz de observar la composición y los cambios de microbiomas humanos completos en contacto directo con el tejido intestinal humano in vitro y durante días abre oportunidades para la medicina personalizada y las pruebas de drogas. "Podemos cultivar tejido intestinal y microbiomas específicos de la región a partir de los mismosindividuo para encontrar asociaciones que causen sensibilidad o tolerancia a enfermedades patógenas, inflamatorias y sistémicas específicas ", dijo la coautora primera Francesca Gazzaniga, Ph.D., quien es una becaria postdoctoral compartida entre el grupo de Ingber y el coautor Dennis Kasper, MD, Profesor de Inmunología en HMS. "Con el chip de intestino anaeróbico, también podemos probar los efectos directos de los medicamentos en el microbioma humano antes de dárselos a las personas".
Otros autores en el estudio están presentes y ex miembros del grupo de Ingber y del personal del Instituto Wyss, incluido el científico senior de informática Diogo Camacho, Ph.D .; investigador clínico Cicely Fadel, MD, Ph.D .; investigador postdoctoral Amir Bein, Ph.D .; Asistentes de investigación Ben Swenor, Michael Cronce y Bret Nestor; Estudiante de posgrado Alessio Tovaglieri; ex científica del personal Oren Levy, Ph.D., MBA; así como Katherine Gregory, Ph.D., RN, Directora Ejecutiva para Mujeresy Newborn Health en Brigham and Women's Hospital, y David Breault, MD, Ph.D., Profesor Asociado en HMS y Boston Children's Hospital. El estudio fue financiado por el Instituto Wyss de Harvard para Ingeniería Biológicamente Inspirada, la Fundação para a Ciência ea Tecnologia FCT Portugal, la Administración Federal de Drogas de EE. UU., La iniciativa Tecnologías para la Resiliencia del Anfitrión THoR de DARPA y la Fundación Bill y Melinda Gates.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto Wyss de Ingeniería Biológicamente Inspirada en Harvard . Original escrito por Benjamin Boettner. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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