Es bleibt mysteriös, warum Menschen infiziert, die durch bestimmte bakterielle oder virale Erreger relativ leicht, während Tiere, die haben sehr ähnliche Gewebe und Immunsystem-Funktionen nicht. Diese Kluft ist auch der Grund, warum Forscher Häufig Probleme haben, Ihre Bemühungen zu Modell pathogenen Krankheiten in Tiermodellen, wie der Maus, und warum Medikamente entwickelt mit diesem Ansatz oft nicht in den Menschen.
Ein markantes Beispiel für Spezies-spezifische Unterschiede in der Toleranz gegenüber der Infektion können gesehen werden in der Antwort zu enterohämorrhagischen E. coli (EHEC) – Bakterien, die verantwortlich sind für mehr als 100.000 Infektionen pro Jahr allein in den USA, und die Ursache für blutigen Durchfall (Reise-Durchfall), Kolitis und hämolytisch-urämisches Syndrom (HUS) – eine ernsthafte Erkrankung, veranlasst die Nieren zu Versagen, nachdem Sie die Begegnung EHEC – Shiga-toxin. Seit Jahren ist bekannt, dass es dauert, die 100.000-Fach höhere Zahl der krankheitserregenden EHEC-Bakterien zu infizieren Mäuse im Vergleich zu Menschen, und dass die Mäuse nicht entwickeln Symptome der Krankheit, es sei denn, die Tiere sind gewachsen unter speziellen keimfreien Bedingungen, in denen Sie nicht in einem normalen Kommensalen Darm microbiome.
Ein multidisziplinäres team von biologische Ingenieure, Mikrobiologen, und systembiologen an der Harvard Wyss Institut für Biologisch Inspirierte Engineering-arbeiten am Institut DARPA unterstützt „Technologien für die Host-Resilienz“ (THoR) – Projekt, dessen Ziel es ist zu entdecken, die Ursachen der Toleranz-Infektion zeigten, die von bestimmten Individuen oder Arten, ist es nun gelungen in der Modellierung Infektion des menschlichen Dickdarms mit EHEC in-vitro-Verwendung eines mikrofluidischen Organ-on-a-Chip (Organ-Chip) Kultur Gerät. Überraschend, der Ansatz ermöglichte die Identifizierung der wichtigsten Unterschiede zwischen den Metaboliten von der komplexen Gemeinschaften von Kommensalen Bakterien, denen das mikrobiom vorhanden in der Maus gegen menschlichen Darm. Sie fanden, dass vier der Metaboliten, die produziert werden, sind auf höheren Ebenen durch den menschlichen Darm microbiome kann helfen, erklären die höhere Empfindlichkeit des menschlichen colon gegen EHEC. Die Studie wurde veröffentlicht im Mikrobiom.
„Wir waren motiviert durch die Beobachtung, dass es oft enorme Unterschiede in der Empfindlichkeit zwischen Mensch und Maus Darm, wenn es gefordert wird, mit demselben Erreger, und die bisherige Arbeit hat gezeigt, dass einige dieser Unterschiede in der Toleranz gegenüber der Infektion erklärt werden können durch Unterschiede in der Darm-mikrobiom-zwischen diesen Arten,“ sagte Wyss-Institut-Gründungsdirektor Donald Ingber, M. D., Ph. D., der die Studie leitete. „Zum Angriff, dieses problem direkt, setzten wir unsere menschliche Organ-Chip-Technologie und kombiniert es mit mikrobiellen Metaboliten in Bioreaktoren, sowie metabolom-Analyse, um Einblick in die molekularen Grundlagen für diese Spezies-spezifischen Unterschied in der Empfindlichkeit auf EHEC.“ Ingber ist auch der Judah Folkman Professor für Vaskuläre Biologie an der Harvard Medical School (HMS) und der Vaskulären Biologie-Programm an der Boston Kinderkrankenhaus, sowie Professor für Bioengineering an der Harvard ‚ s John A. Paulson School of Engineering und Applied Sciences.
Da EHEC-Bakterien hauptsächlich infiziert den menschlichen Darm, die Mannschaft, die zuerst montiert einen Doppelpunkt Chip über seine Mikrofluidik-Kultur, Technik und Nutzung Ihrer jüngsten Fortschritte in der Verwendung von darmgewebe-Fragmente bekannt als organoids als Zwischenprodukte in Richtung der Erzeugung einer höchst funktionellen intestinalen Epithel, die sich spontan bildet finger-wie Projektionen, genannt Darmzotten in das Gerät. In der Colon-Chip, der colon-Epithel Linien zwei parallele Kanäle (der „intestinalen luminalen Kanal“), getrennt durch eine poröse Membran, beschichtet mit einer extrazellulären matrix (ECM), um die Zellen bevorzugt haften. Den gegenüberliegenden Kanal (das „Gefäß-Kanal“) ist gesäumt von menschlichen Darm-Endothelzellen imitieren ein Blutgefäß zu unterstützen und die Kommunikation mit der colon-Epithel.
Das team getestet, ob die volle Komplexität des Löslichen Moleküle von komplexen Maus und Mensch microbiotal Gemeinden in Bioreaktoren kultiviert, ahmten die große Darm-milieu unterschiedlich betroffen EHEC-Infektiosität in den menschlichen Darm-Chips. „Auffällig war—nach Zugabe von menschlichen mikrobiom-spezifische Metaboliten in den menschlichen Darm Epithel wurde schwer verletzt mit großen Läsionen erscheinen, wo Zellen sterben und losgelöst aus dem Gewebe, während die gleichen menschlichen Epithel ausgesetzt Maus mikrobiom-spezifischen Metaboliten waren viel weniger erfolgt,“ sagte ersten Autor Alessio Tovaglieri, die durchgeführt seiner Diplom-Arbeit auf Ingber team als student an der ETH Zürich in der Schweiz. „Interessant ist, dass die krankmachenden EHEC-Bakterien nicht zu verletzen das Doppelpunkt-Gewebe in Abwesenheit der mikrobiom-Metaboliten und den komplexen Metabolit-Mischungen selbst hatte keine Wirkung in Abwesenheit von EHEC.“
Das team konnte zeigen, dass die Unterschiede bei Verletzungen, ausgelöst durch menschliche und Maus-mikrobiom-Metaboliten wurden nicht aufgrund von änderungen in der proinflammatorischen Zytokine, die Unterschiede in der Shiga-toxin-Produktion oder Veränderungen in der Fähigkeit der EHEC besiedeln den Dickdarm-Epithel. Um näher an den eigentlichen Ursachen, die Sie durchgeführt transcriptomics Analyse, Analyse der Veränderungen in der gen-expression in der EHEC-Bakterien auf die Exposition der humanen und Maus-mikrobiom-Metaboliten und metabolomics-Analyse zu identifizieren und Unterschiede in der chemischen Zusammensetzung der beiden Metaboliten Mischungen.
„Die Gene, die für Proteine Kodieren, die Handlung in EHEC-chemotaxis und flagellar Motilität erzielte höchste unter allen Genen, die spezifisch hochreguliert durch das menschliche mikrobiom-die Metaboliten, erschien zur Verbesserung der Pathogenität, und, interessanterweise, fanden wir, dass EHEC-Bakterien ausgesetzt, die das menschliche mikrobiom-die Metaboliten wurden viel mehr Beweglichkeit“, sagte Tovaglieri. Flagellae sind die komplexen schlanken Fortsätzen, die viele Bakterien, wie Motoren, um sich zu bewegen in Richtung Essen-Quellen (chemotaxis).
Aus 426 Metaboliten, die vorhanden waren, auf verschiedenen Ebenen in den zwei Metaboliten-Mischungen, die eine Kombination von vier menschlichen mikrobiom-Metaboliten, die alle erhöht waren im Vergleich zu Ihren Niveaus in die Maus mikrobiom, war ausreichend zu erhöhen EHEC-Motilität in eine Schüssel. Wichtiger ist, Sie waren auch ausreichend, um zu konvertieren, die normalerweise harmlos Maus mikrobiom ist Metabolit Mischung in eine, die ermöglicht, dass die Beschädigung Doppelpunkt-Gewebe in den menschlichen Darm-Chip-Gerät, so dass es so effektiv ist, wie das human microbiome – Metaboliten. Einige dieser gleichen Metaboliten gefunden werden, bei sehr viel höheren Niveaus in den Kindern, die sind auch bekannt empfindlicher auf EHEC-Infektion.