Sigue siendo misterioso por qué los humanos se infectan por algunos patógenos bacterianos o virales con relativa facilidad, mientras que los animales que tienen tejidos y funciones inmunes muy similares no. Este abismo también es la razón por la cual los investigadores con frecuencia enfrentan problemas en sus esfuerzos por modelar enfermedades patógenas en animalesmodelos, como los ratones, y por qué los fármacos desarrollados con este enfoque a menudo fallan en los humanos.
Un ejemplo sorprendente de las diferencias específicas de especie en la tolerancia a la infección se puede ver en la respuesta a la enterohemorrágica E. coli EHEC, que son responsables de más de 100,000 infecciones por año solo en los EE. UU. Y la causa de diarrea con sangre diarrea de viaje, colitis y síndrome urémico hemolítico SUH, una afección grave que induce a los riñones afallan después de que se encuentran con la toxina Shiga de EHEC. Durante años se ha sabido que se necesita un número 100,000 veces mayor de bacterias EHEC patógenas para infectar a los ratones en comparación con los humanos, y que los ratones no desarrollan síntomas de la enfermedad a menos que los animales crezcan bajocondiciones especiales sin gérmenes en las que carecen de un microbioma intestinal comensal normal.
Un equipo multidisciplinario de ingenieros biológicos, microbiólogos y biólogos de sistemas en el Instituto Wyss de Ingeniería Biológica de Harvard que trabaja en el Proyecto "Tecnologías para la Resiliencia del Host" THoR del Instituto, cuyo objetivo es descubrir las causasde tolerancia a la infección exhibida por ciertos individuos o especies, ahora ha logrado modelar la infección del colon humano con EHEC in vitro utilizando un dispositivo de cultivo microfluídico Organ-on-a-Chip Organ Chip. Sorprendentemente, su enfoque permitió la identificación de la claveLas diferencias entre los metabolitos producidos por las comunidades complejas de bacterias comensales que comprenden el microbioma presente en el ratón frente al colon humano. Encontraron que cuatro metabolitos producidos en niveles más altos por el microbioma intestinal humano pueden ayudar a explicar la mayor sensibilidad del colon humano haciaEHEC. El estudio fue publicado en Microbioma .
"Nos motivó la observación de que a menudo existen enormes diferencias en la sensibilidad entre el intestino humano y del ratón cuando se los desafía con el mismo patógeno, y trabajos anteriores que han demostrado que algunas de estas diferencias en la tolerancia a la infección pueden explicarse por diferencias en elmicrobioma intestinal entre estas especies ", dijo el Director Fundador del Instituto Wyss, Donald Ingber, MD, Ph.D., quien dirigió el estudio." Para atacar este problema directamente, aprovechamos nuestra tecnología de Organ Chip humano y la combinamos con metabolitos microbianos producidos en biorreactores, así como el análisis metabólico, para obtener información sobre la base molecular de esta diferencia específica de especie en la sensibilidad a EHEC ". Ingber es también el profesor de Biología Vascular Judah Folkman en la Escuela de Medicina de Harvard HMS y el Programa de Biología Vascular en BostonChildren's Hospital, así como profesor de bioingeniería en la Facultad de ingeniería y ciencias aplicadas John A. Paulson de Harvard.
Debido a que EHEC infecta principalmente el colon humano, el equipo primero ensambló un Colon Chip usando su tecnología de cultivo microfluídico y aprovechando sus avances recientes en el uso de fragmentos de tejido intestinal conocidos como organoides como intermedios para la generación de un epitelio intestinal altamente funcional que forma espontáneamente el dedosimilares a las proyecciones llamadas vellosidades intestinales en el dispositivo.En el chip de colon, el epitelio del colon alinea uno de los dos canales paralelos el "canal luminal intestinal" que están separados por una membrana porosa recubierta con una matriz extracelular MEC a la cual las célulasadherirse preferentemente. El canal opuesto el "canal vascular" está revestido por células endoteliales intestinales humanas que imitan un vaso sanguíneo que se apoya y se comunica con el epitelio del colon.
El equipo probó si la complejidad total de las moléculas solubles producidas por comunidades microbiotales complejas de ratones y humanos cultivadas en biorreactores que imitaban el medio intestinal grande afectaba de manera diferente la infectividad de EHEC en los chips de colon humanos ". Fue sorprendente, después de la adición de microbioma humanometabolitos específicos, el epitelio del colon humano resultó gravemente herido con grandes lesiones que aparecieron donde las células murieron y se separaron del tejido, mientras que el mismo epitelio humano expuesto a metabolitos específicos de microbioma de ratón se vio mucho menos afectado ", dijo el primer autor Alessio Tovaglieri, quien realizósu trabajo de posgrado en el equipo de Ingber como estudiante en ETH Zurich en Suiza. "Curiosamente, las bacterias patógenas EHEC no dañaron el tejido del colon en ausencia de metabolitos de microbioma, y las mezclas de metabolitos complejos en sí mismas no tuvieron efecto en ausencia de EHEC."
El equipo pudo demostrar que las diferencias en las lesiones desencadenadas por los metabolitos de microbioma humano y de ratón no se debieron a cambios en las citocinas inflamatorias, diferencias en la producción de toxina Shiga o alteraciones en la capacidad de EHEC para colonizar el epitelio del colon.más cerca de las causas raíz reales, realizaron análisis de transcriptómica, analizando cambios en la expresión génica en las bacterias EHEC tras la exposición a los metabolitos de microbiomas humanos y de ratón y análisis de metabolómica para identificar diferencias en la composición química de las dos mezclas de metabolitos.
"Los genes que codifican las proteínas que actúan en la quimiotaxis EHEC y la motilidad flagelar obtuvieron el puntaje más alto entre todos los genes específicamente regulados por los metabolitos del microbioma humano que parecían mejorar la patogenicidad, y, curiosamente, encontramos que las bacterias EHEC expuestas a los metabolitos del microbioma humano eran mucho másmás móviles ", dijo Tovaglieri. Los flagelos son los apéndices complejos y delgados que muchas bacterias usan como motores para moverse hacia las fuentes de alimentos quimiotaxis.
De los 426 metabolitos que estaban presentes en diferentes niveles en las dos mezclas de metabolitos, una combinación de cuatro metabolitos de microbioma humano, todos elevados en comparación con sus niveles en el microbioma de ratón, fue suficiente para aumentar la motilidad EHEC en un plato. Importantemente, también fueron suficientes para convertir la mezcla de metabolitos del microbioma de ratón normalmente inocuo en una que facilita el daño al tejido de colon en el dispositivo de Colon Chip humano, haciéndolo tan efectivo como los metabolitos del microbioma humano. Algunos de estos mismos metabolitos se encuentran en niveles mucho más altosen niños que también se sabe que son más sensibles a la infección por EHEC.
"Este trabajo ha descubierto potenciales objetivos moleculares que podrían ayudar a aliviar el sufrimiento en pacientes con EHEC si pudiéramos desarrollar formas de suprimir su producción o mejorar su eliminación en humanos. El mismo enfoque de Organ Chip humano combinado con la metabolómica podría ayudar a identificar otros metabolitosque median los efectos protectores y aumentan la tolerancia a otras infecciones en el futuro. También puede ayudarnos a obtener una mejor comprensión de por qué ciertas personas son sensibles a las infecciones mientras que otras son tolerantes ", dijo Ingber.
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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