El sistema ‘órganos en un chip’ arroja luz sobre cómo las bacterias en el tracto digestivo humano pueden influir en las enfermedades neurológicas
Investigadores del MIT han desarrollado un sistema de «órganos en un chip» que replica las interacciones entre el cerebro y el hígado y colón. Crédito: Martin Trapecar, MIT
En muchos sentidos, nuestro cerebro y nuestro tracto digestivo están profundamente conectados. Sentirse nervioso puede provocar dolor físico en el estómago, mientras que las señales de hambre del intestino nos hacen sentir irritables. Estudios recientes incluso han sugerido que las bacterias que viven en nuestro intestino pueden influir en algunas enfermedades neurológicas.
Es difícil modelar estas interacciones complejas en animales como los ratones, porque su fisiología es muy diferente a la de los humanos. Para ayudar a los investigadores a comprender mejor el eje intestino-cerebro, los investigadores del MIT han desarrollado un sistema de «órganos en un chip» que replica las interacciones entre el cerebro, el hígado y el colon.
Usando ese sistema, el Los investigadores pudieron modelar la influencia que los microbios que viven en el intestino tienen tanto en el tejido cerebral sano como en las muestras de tejido derivadas de pacientes con la enfermedad de Parkinson. Encontraron que los ácidos grasos de cadena corta, que son producidos por microbios en el intestino y son transportados al cerebro, pueden tener efectos muy diferentes en las células cerebrales sanas y enfermas.
«Mientras que los ácidos grasos de cadena corta son en gran medida beneficiosas para la salud humana, observamos que bajo ciertas condiciones pueden exacerbar aún más ciertas patologías cerebrales, como el mal plegamiento de proteínas y la muerte neuronal, relacionadas con la enfermedad de Parkinson», dice Martin Trapecar, un postdoctorado del MIT y autor principal del estudio.
Linda Griffith, profesora de innovación docente de la Escuela de Ingeniería y profesora de ingeniería biológica e ingeniería mecánica, y Rudolf Jaenisch, profesor de biología del MIT y miembro del Instituto Whitehead de Investigación Médica del MIT, son los autores principales del artículo, que aparece hoy en Science Advances.
La conexión intestino-cerebro
Durante varios años, el laboratorio de Griffith ha estado desarrollando sistemas microfisiológicos, pequeños dispositivos que pueden ser se utiliza para hacer crecer modelos de tejido de ingeniería de diferentes órganos, conectados por canales de microfluidos. En algunos casos, estos modelos pueden ofrecer información más precisa sobre enfermedades humanas que los modelos animales, dice Griffith.
En un artículo publicado el año pasado, Griffith y Trapecar usaron un sistema microfisiológico para modelar las interacciones entre el hígado y el colon. En ese estudio, encontraron que los ácidos grasos de cadena corta (AGCC), moléculas producidas por microbios en el intestino, pueden empeorar la inflamación autoinmune asociada con la colitis ulcerosa bajo ciertas condiciones. Los SCFA, que incluyen butirato, propionato y acetato, también pueden tener efectos beneficiosos en los tejidos, incluida una mayor tolerancia inmunológica, y representan aproximadamente el 10 por ciento de la energía que obtenemos de los alimentos.
En el nuevo estudio, el equipo del MIT decidió agregar el cerebro y las células inmunitarias circulantes a su sistema multiorgánico. El cerebro tiene muchas interacciones con el tracto digestivo, que pueden ocurrir a través del sistema nervioso entérico o a través de la circulación de células inmunitarias, nutrientes y hormonas entre los órganos.
Las imágenes para descargar están disponibles para entidades no comerciales, presione y el público en general bajo una licencia Creative Commons Attribution Non-Commercial No Derivatives. No puede alterar las imágenes proporcionadas, excepto para recortarlas al tamaño. Se debe utilizar una línea de crédito al reproducir imágenes. Crédito: Martin Trapecar, MIT
Hace varios años, Sarkis Mazmanian, profesor de microbiología en Caltech, descubrió una conexión entre los SCFA y la enfermedad de Parkinson en ratones. Demostró que los SCFA, que son producidos por bacterias a medida que consumen fibra no digerida en el intestino, aceleraron la progresión de la enfermedad, mientras que los ratones criados en un ambiente libre de gérmenes tardaron más en desarrollar la enfermedad.
Griffith y Trapecar decidieron explorar más a fondo los hallazgos de Mazmanian, utilizando su modelo microfisiológico. Para hacer eso, se asociaron con el laboratorio de Jaenisch en el Instituto Whitehead. Jaenisch había desarrollado previamente una forma de transformar las células de fibroblastos de los pacientes de Parkinson en células madre pluripotentes, que luego se pueden inducir para que se diferencien en diferentes tipos de células cerebrales, neuronas, astrocitos y microglia.
Más del 80 por ciento de los pacientes con Parkinson los casos no pueden vincularse a una mutación genética específica, pero el resto sí tiene una causa genética. Las células que los investigadores del MIT usaron para su modelo de Parkinson tienen una mutación que provoca la acumulación de una proteína llamada alfa sinucleína, que daña las neuronas y causa inflamación en las células cerebrales. El laboratorio de Jaenisch también generó células cerebrales que tienen esta mutación corregida, pero por lo demás son genéticamente idénticas y del mismo paciente que las células enfermas.
Griffith y Trapecar primero estudiaron estos dos conjuntos de células cerebrales en sistemas microfisiológicos que fueron no conectado a ningún otro tejido, y descubrió que las células de Parkinson mostraban más inflamación que las células sanas corregidas. Las células de Parkinson también tenían deficiencias en su capacidad para metabolizar lípidos y colesterol.
Efectos opuestos
Luego, los investigadores conectaron las células cerebrales a modelos de tejido del colon y el hígado, usando canales que permitir que las células inmunitarias y los nutrientes, incluidos los SCFA, fluyan entre ellos. Descubrieron que, para las células cerebrales sanas, la exposición a SCFA es beneficiosa y las ayuda a madurar. Sin embargo, cuando las células cerebrales derivadas de pacientes con Parkinson se expusieron a SCFA, los efectos beneficiosos desaparecieron. En cambio, las células experimentaron niveles más altos de mal plegamiento de proteínas y muerte celular.
Estos efectos se observaron incluso cuando las células inmunitarias se eliminaron del sistema, lo que llevó a los investigadores a plantear la hipótesis de que los efectos están mediados por cambios en el metabolismo de los lípidos. .
«Parece que los ácidos grasos de cadena corta pueden vincularse con enfermedades neurodegenerativas al afectar el metabolismo de los lípidos en lugar de afectar directamente a una determinada población de células inmunitarias», dice Trapecar. «Ahora, el objetivo para nosotros es tratar de entender esto».
Los investigadores también planean modelar otros tipos de enfermedades neurológicas que pueden estar influenciadas por el microbioma intestinal. Los hallazgos ofrecen apoyo a la idea de que los modelos de tejido humano podrían generar información que los modelos animales no pueden, dice Griffith. Ahora está trabajando en una nueva versión del modelo que incluirá microvasos sanguíneos que conectan diferentes tipos de tejidos, lo que permitirá a los investigadores estudiar cómo les influye el flujo sanguíneo entre los tejidos.
«Realmente deberíamos impulsar el desarrollo de estos , porque es importante comenzar a incluir más características humanas en nuestros modelos», dice Griffith. «Hemos podido comenzar a obtener conocimientos sobre la condición humana que son difíciles de obtener de los ratones».
Explore más
Uso de ‘órganos en un chip’ para modelar enfermedades complicadas Más información: «Modelo hisiomimético humano que integra sistemas microfisiológicos del intestino, el hígado y el cerebro para estudios de enfermedades neurodegenerativas» Science Advances (2021). advances.sciencemag.org/lookup … .1126/sciadv.abd1707 Información de la revista: Science Advances
Proporcionado por el Instituto Tecnológico de Massachusetts Cita: El sistema ‘Organs-on-a-chip’ arroja luz sobre cómo las bacterias en el tracto digestivo humano pueden influir en las enfermedades neurológicas (29 de enero de 2021) recuperado el 30 de agosto de 2022 de https://medicalxpress.com/news/2021-01-organs-on-a-chip-bacteria-human-digestive- tract.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.