De ratones y hombres y su diferente tolerancia a los patógenos

Esta sección transversal de un Colon Chip de ratón muestra el citoesqueleto de actina de las células epiteliales en magenta, la mucosidad suprayacente en amarillo y los núcleos de las células en azul. El equipo usó este chip en un análisis comparativo de microbiomas humanos y de ratones para probar sus diferentes capacidades para inducir tolerancia al patógeno Salmonella typhimurium. Crédito: Instituto Wyss de la Universidad de Harvard

Billones de microbios comensales viven en las superficies mucosas y epidérmicas del cuerpo y está firmemente establecido que este microbioma afecta la tolerancia y la sensibilidad del huésped a una variedad de patógenos. Sin embargo, la tolerancia del huésped a la infección por patógenos no está igualmente desarrollada en todos los organismos. Por ejemplo, se sabe que el microbioma intestinal de los ratones protege más eficazmente contra la infección por ciertos patógenos, como la bacteria Salmonella typhimurium, que el microbioma intestinal humano.

Esto plantea la interesante posibilidad de que analizar las diferencias entre las interacciones huésped-microbioma en humanos y otras especies, como los ratones, e identificar tipos individuales de bacterias que protegen o sensibilizan contra ciertos patógenos, podría conducir a tipos completamente nuevos de enfoques terapéuticos. . Sin embargo, aunque la composición del microbioma intestinal y su efecto sobre las respuestas inmunitarias del huésped han sido bien investigados en ratones, no es posible estudiar cómo el microbioma interactúa directamente con las células epiteliales que recubren el intestino en condiciones muy definidas y, por lo tanto, descubrir cepas bacterianas específicas. que pueden inducir la tolerancia del huésped a los patógenos infecciosos.

Ahora, un equipo colaborativo dirigido por el director fundador de Wyss, Donald Ingber, MD, Ph.D. en el Instituto Wyss de Ingeniería Biológicamente Inspirada de Harvard y Dennis Kasper, MD en la Facultad de Medicina de Harvard (HMS) ha aprovechado la tecnología de microfluidos Organs-on-Chip (Organ Chip) de Wyss para modelar las diferentes secciones anatómicas del intestino del ratón y su simbiosis con un microbioma vivo complejo in vitro. Los investigadores recapitularon los efectos destructivos de S. typhimurium en la superficie epitelial intestinal en un Colon Chip de ratón modificado y, en un análisis comparativo de microbiomas humanos y de ratón, pudieron confirmar que la bacteria comensal Enterococcus faecium contribuye a la tolerancia del huésped a la infección por S. typhimurium. . El estudio se publica en Frontiers in Cellular and Infection Microbiology.

El proyecto se inició en el marco del proyecto «Tecnologías para la resiliencia del huésped» (THoR) financiado por DARPA en el Instituto Wyss, cuyo objetivo era descubrir contribuciones a la tolerancia a la infección mediante el estudio de las diferencias observadas en determinadas especies animales y humanos. Utilizando un Colon Chip humano, el grupo de Ingber había demostrado en un estudio anterior cómo los metabolitos producidos por microbios derivados de heces humanas y de ratones tienen un potencial diferente para afectar la susceptibilidad a la infección con un patógeno E. coli enterohemorrágico.

«Biomedical La investigación depende en gran medida de modelos animales como los ratones, que sin duda tienen enormes beneficios, pero no brindan la oportunidad de estudiar los procesos normales y patológicos dentro de un órgano en particular, como el intestino, de cerca y en tiempo real.Esta importante prueba El estudio de concepto con el grupo de Dennis Kasper destaca que nuestra plataforma Intestine Chip de ratón diseñada ofrece exactamente esta capacidad y brinda la posibilidad de estudiar las interacciones huésped-microbioma con microbiomas de diferentes especies en condiciones altamente controlables in vitro», dijo Ingber. «Dado el profundo nivel de caracterización de la inmunología de los ratones, esta capacidad podría ayudar mucho a avanzar en el trabajo de los investigadores que actualmente utilizan estos animales para investigar el microbioma y las respuestas del huésped. Les permite comparar los resultados que obtienen directamente con los chips de intestino humano en el futuro para que el enfoque pueda estar en identificar las características de la respuesta del huésped que son más relevantes para los humanos». Ingber también es profesor Judah Folkman de Biología Vascular en el HMS y el Boston Children’s Hospital, y profesor de Bioingeniería en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de Harvard.

Ingeniería de un intestino en chip de ratón plataforma

En su nuevo estudio, el equipo se centró en el tracto intestinal del ratón. «Tradicionalmente, ha sido extremadamente difícil modelar las interacciones huésped-microbioma fuera de cualquier organismo, ya que muchas bacterias son estrictamente anaeróbicas y mueren en condiciones normales de oxígeno atmosférico. La tecnología Organ Chip puede recrear estas condiciones, y es mucho más fácil obtener células intestinales e inmunitarias primarias». de ratones que tener que depender de biopsias humanas», dijo la primera autora Francesca Gazzaniga, Ph.D., becaria postdoctoral que trabaja entre los grupos de Ingber y Kasper y encabezó el proyecto.

Gazzaniga y su Sus colegas aislaron criptas intestinales de diferentes regiones del tracto intestinal del ratón, incluido el duodeno, el yeyuno, el íleon y el colon, llevaron sus células a través de un paso intermedio de «organoide» en cultivo en el que se forman y crecen pequeños fragmentos de tejido, que luego sembraron en uno de los dos canales paralelos perfundidos por microfluidos de los chips de órgano de Wyss para crear chips de intestino específicos de la región. El segundo canal perfundido de forma independiente imita la vasculatura sanguínea y está separado del primero por una membrana porosa que permite el intercambio de nutrientes, metabolitos y moléculas secretadas que las células epiteliales intestinales utilizan para comunicarse con las células vasculares e inmunitarias.

Enfocándose en el patógeno

Luego, el equipo perfeccionó a S. typhimurium como patógeno. Primero, introdujeron el patógeno en el lumen epitelial del Colon Chip de ratón modificado y recapitularon las características clave asociadas con la ruptura de la integridad del tejido intestinal conocida a partir de estudios con ratones, incluida la interrupción de las adherencias normalmente estrechas entre las células epiteliales vecinas, la disminución de la producción de moco, un pico en la secreción de una quimiocina inflamatoria clave (el homólogo de ratón de la IL-8 humana) y cambios en la expresión de genes epiteliales. Paralelamente, demostraron que el Colon Chip de ratón apoyaba el crecimiento y la viabilidad de consorcios bacterianos complejos normalmente presentes en microbiomas intestinales de ratones y humanos.

Juntando estas capacidades, los investigadores compararon los efectos de ratones y humanos específicos. consorcios microbianos que previamente se habían mantenido estables en los intestinos de ratones ‘gnotobióticos’ que el equipo de Kasper alojaba en condiciones libres de gérmenes. Al recolectar microbiomas complejos de las heces de esos ratones y luego inocularlos en Colon Chips, los investigadores observaron la variabilidad de chip a chip en la composición del consorcio, lo que les permitió relacionar la composición de los microbios con los efectos funcionales en el epitelio del huésped. «Usar la secuenciación 16s nos dio una buena idea de las composiciones microbianas de los dos consorcios, y un alto número de una especie individual, Enterococcus faecium, generada por solo uno de ellos en el Colon Chip, permitió que el tejido intestinal tolerara mejor la infección. dijo Gazzániga. «Esto confirmó muy bien los hallazgos anteriores y validó nuestro enfoque como una nueva plataforma de descubrimiento que ahora podemos usar para investigar los mecanismos que subyacen a estos efectos, así como la contribución de las contribuciones vitales de las células inmunitarias a la tolerancia del huésped, así como los procesos infecciosos que involucran a otros patógenos».

«La tecnología de intestino de ratón en un chip proporciona un enfoque único para comprender la relación entre la microbiota intestinal, la inmunidad del huésped y un patógeno microbiano. Esta importante interrelación es difícil de estudiar en el animal vivo porque hay tantos factores incontrolables. La belleza de este sistema es que esencialmente todos los parámetros que desea estudiar son controlables y pueden monitorearse fácilmente. Este sistema es un paso adelante muy útil», dijo Kasper, quien es el profesor William Ellery Channing. de Medicina y Profesor de Inmunología en HMS.

Los investigadores creen que su enfoque comparativo in vitro podría descubrir una apuesta cruzada específica entre patógenos y bacterias comensales con células epiteliales e inmunitarias intestinales, y que las bacterias que mejoran la tolerancia identificadas podrían usarse en terapias futuras, que pueden sortear el problema de aumentar la resistencia antimicrobiana de las cepas bacterianas patógenas.

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La fisiología del microbioma intestinal humano ahora se puede estudiar in vitro utilizando la tecnología Organ Chip Más información: Francesca S. Gazzaniga et al, Aprovechando la tecnología Colon Chip para identificar bacterias comensales que promueven Tolerancia del huésped a la infección, fronteras en microbiología celular y de infecciones (2021). DOI: 10.3389/fcimb.2021.638014 Proporcionado por la Universidad de Harvard Cita: De ratones y hombres y su diferente tolerancia a los patógenos (2021, 15 de marzo) recuperado el 30 de agosto de 2022 de https://medicalxpress.com/news /2021-03-mice-men-tolerance-pathogens.html Este documento está sujeto a derechos de autor. Aparte de cualquier trato justo con fines de estudio o investigación privados, ninguna parte puede reproducirse sin el permiso por escrito. El contenido se proporciona únicamente con fines informativos.