在芯片上模拟一种严重的儿童疾病

【字体: 时间:2022年06月27日 来源:Nature Biomedical Engineering

编辑推荐:

  全球数百万儿童患有环境肠功能障碍(EED),这是一种慢性肠道炎症性疾病,会导致营养不良和发育不良。威斯研究所与比尔和梅琳达·盖茨基金会合作开发的一种新的器官芯片首次在活体人体组织中模拟了这种毁灭性的疾病。这种EED芯片使Wyss的研究人员能够梳理出导致这种疾病的遗传和营养之间复杂的相互作用,并为未来的治疗提供线索。一篇描述这项工作的论文发表在今天的《自然生物医学工程》上。

  

在低收入和中等收入国家,数百万儿童患有环境肠功能障碍(EED),这是一种慢性肠道炎症性疾病,是5岁以下儿童死亡的第二大原因。EED是一种毁灭性的疾病,与营养不良、发育不良和认知发育不良有关,永久性地影响患者的生活质量。此外,口服疫苗对ed儿童的效果较差,使他们容易感染本可预防的疾病。虽然一些ed病例可以通过简单地改善患者的饮食来治疗,但更好的营养并不能帮助所有儿童。缺乏足够的营养以及接触受污染的水和食物都是造成ed的原因,但该疾病的潜在机制仍不清楚。

现在,哈佛大学威斯研究所的一组研究人员在微工程肠芯片装置中创造了一个体外的EED人体模型,为了解营养不良和导致这种疾病的遗传因素之间复杂的相互作用提供了一个窗口。他们的EED芯片概括了在人类患者的活组织检查中发现的EED的几个特征,包括炎症、肠屏障功能障碍、营养吸收减少和肠细胞绒毛(微小的毛发状突起)萎缩。

他们还发现,剥夺健康的肠道芯片的两种关键营养物质——烟酰胺(一种维生素)和色氨酸(一种必需氨基酸)——导致的形态、功能和基因变化类似于在EED患者身上发现的变化,这表明他们的模型可以用来识别和测试潜在治疗的效果。

“从功能上说,这些孩子的消化系统及其吸收营养和对抗感染的能力出了问题,你不能简单地通过给他们提供饮食中缺失的营养来治愈感染。我们的EED模型让我们能够从生理上和基因上解读肠道发生了什么,从而极大地影响了EED患者的正常功能。”共同第一作者、前Wyss研究所高级博士后研究员、现为Quris Technologies生物副总裁的Amir Bein博士说。

这项研究发表在今天的《自然生物医学工程》杂志上。

在芯片上模拟复杂的疾病

EED Chip项目是由威斯研究所的创始主任Donald Ingber博士和比尔及梅琳达·盖茨基金会(Bill and Melinda Gates Foundation)之间的对话发展而来的,该基金会一直致力于支持研究以了解和治疗肠道疾病。由于认识到还没有关于EED的体外研究来研究其分子机制,一个由20多人组成的Wyss团队开始使用因格伯实验室开发的人体器官芯片技术来创建EED模型。

他们从威斯研究所(Wyss Institute)的“肠芯片”(小肠芯片)开始,该芯片于2012年首次开发,由贯穿柔性聚合物材料的平行空心微流体通道组成。一个通道由人肠上皮细胞构成,而另一个通道由人血管细胞构成。一种模拟血液的介质通过血管芯片来维持细胞的生命,两个通道之间有一层可渗透的膜,允许营养物质和化学信号在两个组织之间传播。为了在这些芯片中复制EED,研究人员在肠芯片的上皮通道上排列了来自EED患者手术活检的细胞,这些细胞是盖茨基金会帮助从巴基斯坦阿加汗大学获得的。他们还制造了健康芯片,上面排列着来自健康儿童的肠上皮细胞,以供比较。

“由于急火症在营养不良和卫生条件差是大问题的世界部分地区非常普遍,目前尚不清楚基因或表观遗传学在这种疾病中扮演什么角色,如果有的话。“我们知道有一群病人对营养没有反应,他们认为与健康儿童的肠道细胞相比,他们的肠道细胞对营养不良的反应可能不同,”共同第一作者西塞莉·法德尔说,她是贝斯以色列女执事医学中心的主治新生儿学家,哈佛医学院(HMS)的儿科讲师,曾在威斯研究所与因格伯一起工作的临床研究员。她和她的合著者的目标是通过研究ed芯片和健康芯片中细胞的基因表达模式来解决这个谜。

研究小组发现,在EED芯片中有287个基因表现出不同的表达水平。其中包括与炎症、肠损伤和细胞间连接相关的基因。当他们将ed芯片的基因图谱与未通过营养干预解决的ed患者的临床基因特征进行比较时,他们发现芯片上的基因与样本中的基因有一些重叠。

然后,为了模拟许多急症病人经历的营养不良,他们改变了为他们的芯片提供营养的培养基,去除烟酰胺和色氨酸,这两种物质对儿童的健康成长和成年人的健康保持都至关重要。

效果是惊人的。

当它们在营养缺乏的条件下培养时,健康芯片与营养充足的芯片相比显示出690个不同表达模式的基因,而在EED芯片中,有多达969个基因具有不同的表达模式。从患者活检中获得的临床ed基因标记中上调的前10个基因中,有6个在营养缺乏培养的ed芯片中也上调。

“我们的营养不足的EED芯片签名和在人类患者中发现的签名之间的协议真的很令人兴奋。我们不仅能够重建EED肠道的形态和功能,而且我们使用的是与人类患者相同的基因通路。这为我们在EED芯片上测试药物和其他治疗方法提供了可能,并得到与你在患者身上看到的类似的反应。”

梳理先天和后天的关系

然后,科学家们从多个角度分析了芯片,以确定EED芯片和健康芯片之间的哪些差异是由营养缺乏引起的,而不是内在的基因表达差异。

营养缺乏的某些影响似乎对健康薯片和EED薯片的影响相同。这两种芯片都显示出与炎症趋化因子产生和氨基酸饥饿反应相关的特定基因通路上调,显著降低了通常在其表面发现的绒毛状结构的生长,并产生了更薄的粘液层。这两种芯片都变得“漏”,因为它们细胞之间的连接被破坏,允许液体渗透,并显示出脂肪酸吸收的变化。

但是,在对营养缺乏的反应上,EED芯片显示出了一些独特的差异,所有这些特征都与人类EED活检中看到的特征相匹配。急火症患者的肠道内表面(称为刷状边界)的发育减少,细胞生长受损,在急火症芯片中观察到与这两种过程相关的基因通路下调。据了解,帮助调节肠道微生物群的帕尼斯细胞在急火症患者中会消耗殆尽,而在急火症芯片中,帕尼斯细胞标记物也会减少。氨基酸转运蛋白也被下调。

研究小组发现,与在相同条件下生长的健康芯片相比,EED芯片产生的炎症细胞因子水平更低。但一旦两个芯片都处于营养缺乏状态,与健康芯片相比,EED芯片产生了多得多的细胞因子。炎症组织需要更多的热量来维持和更新,而患有肠道慢性炎症的EED患者可能无法消耗足够的热量来维持其组织和支持其生长,从而导致发育迟缓。这种炎症也会降低肠道处理口服疫苗的能力。

与健康芯片相比,即使在各种营养物质都可以获得的情况下,EED芯片在上皮通道中吸收这些营养物质并将其转移到血管通道的能力也有所下降,这进一步表明EED组织的功能在本质上受到了损害。

拜因说:“这项研究对EED研究和治疗工作的主要贡献之一是,我们能够将各种细胞反应具体归因于营养缺乏、肠道细胞的基因变化或两者的结合,而这些区别在临床研究或动物模型中是不可能做到的。”“EED基因特征本身不足以在我们的芯片中完全复制EED——额外的营养不良暴露是必要的。这意味着营养缺乏本身会扰乱营养加工,从而形成一个反馈回路,进一步恶化了急症患者的营养吸收。”

该团队正在用他们的模型继续研究EED,并计划结合免疫细胞来更深入地研究炎症及其与营养的相互作用,以及它如何影响身体对疫苗的反应。他们还致力于将来自ed患者的微生物组添加到芯片中,以研究微生物组的变化如何影响这种疾病。

“多年来,我们的团队与盖茨基金会就这个项目举行的每一次定期会议,一开始都是放映患有EED的真实儿童的幻灯片。这些孩子是我们的客户——患者推动着我们在Wyss研究所所做的一切,并激励我们努力工作,通常是数年,为困难的问题创造解决方案,从而显著提高他们的生活质量。Ingber说,他同时也是HMS和波士顿儿童医院(BCH)血管生物学的Judah Folkman教授,以及哈佛大学约翰·a·保尔森工程与应用科学学院(SEAS)的Hansj?rg Wyss生物灵感工程教授。

文章标题

Nutritional deficiency in an intestine-on-a-chip recapitulates injury hallmarks associated with environmental enteric dysfunction


相关新闻
生物通微信公众号
微信
新浪微博
  • 搜索
  • 国际
  • 国内
  • 人物
  • 产业
  • 热点
  • 科普
  • 急聘职位
  • 高薪职位

知名企业招聘

热点排行

    今日动态 | 生物通商城 | 人才市场 | 核心刊物 | 特价专栏 | 仪器云展台 | 免费试用 | 今日视角 | 新技术专栏 | 技术讲座 | 技术期刊 | 会展中心 | 中国科学人 | 正牌代理商

    版权所有 生物通

    Copyright© eBiotrade.com, All Rights Reserved

    联系信箱:

    粤ICP备09063491号