Typisk:Fra menneskelig biopsi til kompleks tarmfysiologi på en chip

Tyndtarmen er det vigtigste sted, hvor vi fordøjer og absorberer næringsstoffer og mineraler fra mad, og det er også et sted, hvor der opstår mange tarminfektioner, og fordøjelses- og inflammatoriske lidelser viser sig. For bedre at forstå tarmen i dens normale og patologiske tilstande, forskere har skabt "organoider" ved at isolere tarmstamceller fra humane biopsiprøver. Disse organoider danner alle celletyper, der findes i tarmene i mennesker, men de vokser som cyster omgivet af tykke ekstracellulære matrixgeler med deres "apikale" celleoverflade (som normalt udsættes for tarmens indhold) mod et lukket lumen. Dette forhindrer undersøgelse af dynamiske processer, der involverer tarmbarrieren, herunder transport af næringsstoffer og lægemidler samt dets interaktioner med mikrobiomet. Ud over, organoider mangler en vaskulatur og de mekaniske bevægelser forårsaget af normal peristaltik og blodgennemstrømning, som er afgørende for mange processer i tarmen, herunder dets regenerering og kontrol af bakteriel overvækst.

I et forsøg på at overvinde disse begrænsninger, et team på Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering under ledelse af dets grundlægger, Donald Ingber, M.D., Ph.d., havde tidligere konstrueret en mikrofluid "Organ-on-a-Chip" (Organ Chip) kulturindretning, hvor celler fra en human tarmcellelinje, der oprindeligt var isoleret fra en tumor, blev dyrket i en af ​​to parallelle løbende kanaler, adskilt af en porøs matrix-belagt membran fra humane blodkarafledte endotelceller i den tilstødende kanal. Selvom denne menneskelige Gut Chip genskabte villusepitelet i normal tarm og muliggjorde ny indsigt i, hvordan flow og cyklisk peristaltik påvirker tarmdifferentiering og funktion, det kunne ikke bruges til at studere processer, der var afhængige af normale tarmceller fra individuelle donorer, hvilken, for eksempel, er afgørende for at studere patientspecifikke svar på personlig medicin.

I en ny undersøgelse, udgivet i Videnskabelige rapporter , Ingbers team fjerner nu disse vejspærringer. "Vi er nu i stand til at udnytte den organoide tilgang til at isolere tarmstamceller fra menneskelige biopsier, men vi bryder organoiderne op og dyrker de patientspecifikke celler i vores organchips, hvor de spontant danner intestinal villi orienteret mod kanalens lumen, og epitelet tæt på humant intestinal mikrovaskulært endotel, "sagde Ingber, som også er Judah Folkman professor i vaskulær biologi ved Harvard Medical School (HMS) og Vascular Biology Program på Boston Children's Hospital, samt professor i bioingeniør ved Harvards John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS). "Denne tilgang præsenterer en ny springbræt til undersøgelse af normale og sygdomsrelaterede processer på en meget personlig måde, herunder transport af næringsstoffer, fordøjelse, forskellige tarmsygdomme, og tarminteraktioner med kommensale mikrober såvel som patogener. "

Teamet samarbejdede med David Breaults laboratorium på Boston Children's Hospital for at bygge et organoid kulturtrin ind i deres procedure for at isolere normale tarmstamceller og øge deres celletal. De resulterende organoider kunne enten bankes til fremtidig brug eller straks fragmenteres og podes i "epitel" -kanalerne for flere orgelchips, hvor de blev yderligere modnet ved at strømme specialiseret dyrkningsmedium og anvende mekanisk stimulation til kanalerne for at efterligne fysiologiske peristaltalignende bevægelser. Epithelets modning til et villus tarmepitel med lange fingerlignende forlængelser blev hjulpet sammen med at dyrke humane intestinale mikrovaskulære endotelceller på den modsatte side af den delte matrixbelagte porøse membran i den "vaskulære" kanal, hvor de samlede et surrogatblod beholder med et hul lumen, gennem hvilket fodermedium blev strømmet.

Dermed, kombinerer to af de mest avancerede teknologier inden for vævsteknik? organoid kultur og organchips? tillod dannelse af tarmvæv og strukturer på organisk niveau foret med menneskelige donorspecifikke celler med morfologi, sammensætning, og fungerer stærkt som den i duodenalregionen i normal tyndtarm. "Fordi den primære Small Intestine Chip gengiver det fysiske mikromiljø, som celler oplever inde i menneskekroppen, såsom væskestrøm og cykliske peristaltislignende strækbevægelser, den udviser en genomomfattende genekspressionsprofil, der kommer tættere på sin in vivo-modstykke end den for de samme tarmceller dyrket som 3D-organoider, "sagde førsteforfatter Magdalena Kasendra, Ph.d., en tidligere postdoktor på Ingbers team og nu hovedforsker ved Emulate, Inc. i Boston.

Sammen med tarmstamceller, teamet identificerede differentierede næringsstoffordøjende og absorberende enterocytter, slimproducerende bægerceller, hormonudskillende enteroendokrine celler, og mikrobiomregulerende og sansende Paneth-celler, og de udførte en række assays, der bekræftede deres funktioner. Da tyndtarmsmikromiljøet kan opretholdes i uger i kontinuerligt perfunderede organchips, de muliggør både kort- og længerevarende undersøgelser, hvis observationer kan relateres tilbage til de enkelte donors sundhed og fysiologi.

Ingbers team anvender den samme tilgang nu til forskellige områder af tarmen - tolvfingertarmen, jejunum, ileum, og tyktarm - hvis funktioner og sygdomssårbarheder adskiller sig fra hinanden. Denne tilgang bruges også til at reverse reverse endnu mere komplekse tarmmiljøer ved at integrere andre celletyper, såsom immunceller, neuronale celler, og kommensale mikrober ind i enheden. "I fremtiden, sådanne bestræbelser kunne give os mulighed for meget bedre at forstå interaktioner mellem mennesker og mikrobiomer, model underernæring og inflammatoriske sygdomme i tarmen, og udføre personlig narkotikatest, sagde den første forfatter Alessio Tovaglieri, en kandidatstuderende ved Institut for Sundhedsvidenskab og Teknologi ved ETH Zürich i Schweiz, der udfører sit specialearbejde på Ingbers team.