دراسة فسيولوجيا ميكروبيوم الأمعاء البشرية باستخدام تقنية رقاقة الأعضاء


الميكروبيوم البشري ، المجموعة الضخمة من الميكروبات التي تعيش داخل الجسم وعلى جسمنا ، يؤثر تأثيراً عميقاً على صحة الإنسان والمرض. إن نباتات الأمعاء البشرية على وجه الخصوص ، التي تضم أكبر عدد من الميكروبات ، لا تقوم فقط بتحطيم العناصر الغذائية وإطلاق الجزيئات المهمة لبقائنا بل هي أيضًا لاعب رئيسي في تطور العديد من الأمراض بما في ذلك الالتهابات وأمراض الأمعاء الالتهابية والسرطان وأمراض التمثيل الغذائي ، أمراض المناعة الذاتية ، والاضطرابات العصبية والنفسية.

يعتمد معظم ما نعرفه حول تفاعلات الميكروبيوم البشري على دراسات ارتباطية بين حالة المرض والحمض النووي البكتيري الموجود في عينات البراز باستخدام التحليل الجينومي أو الميتاجينومي. وذلك لأن دراسة التفاعلات المباشرة بين الميكروبيوم والأنسجة المعوية خارج جسم الإنسان تمثل تحديا هائلا ، ويعزى ذلك إلى حد كبير إلى أن البكتيريا المتعاقبة تميل إلى النمو الزائد وقتل الخلايا البشرية خلال يوم واحد عندما تنمو على أطباق الثقافة. العديد من الميكروبات المشتركة في الأمعاء هي أيضا لاهوائية ، ولذا فهي تتطلب ظروف أكسجين منخفضة للغاية لتنمو والتي يمكن أن تصيب الخلايا البشرية.

قام فريق بحثي بمعهد Wyss للهندسة المستوحاة بيولوجيًا في جامعة هارفارد بقيادة المدير المؤسسي للمعهد دونالد إنجبر بتطوير حل لهذه المشكلة باستخدام تقنية الثقافة الميكروفلويديك (شريحة الأعضاء). أصبح فريقه قادرًا الآن على استنباط ميكروبيوم بشري معقد ومستقر في اتصال مباشر مع ظهارة معوية إنسانية بشرية لمدة 5 أيام على الأقل في رقاقة الأمعاء البشرية حيث تم إنشاء تدرج أكسجين يوفر مستويات عالية من البطانة والظهارة مع الحفاظ على نقص الأكسجين الظروف في التجويف المعوي التي تسكنها البكتيريا commensal. حافظت "رقاقة الأمعاء اللاهوائية" الخاصة بهم بثبات على تنوع جرثومي مماثل لتلك الموجودة في البراز البشري على مدار أيام وحاجز فسيولوجي وقائي تم تشكيله بواسطة أنسجة معوية بشرية.هندسة الطبيعة الطبية .

"لقد كان التحول الكبير في الطب على مدى العقد الماضي هو الاعتراف بالدور الكبير الذي تلعبه الميكروبيوم في الصحة والمرض. توفر تقنية رقاقة الأمعاء اللاهوائية الجديدة الآن وسيلة لدراسة التفاعلات البشرية ذات الصلة بالميكروبيوم البشري في الخلية الخلوية. وقال إنجبر ، دكتوراه في الطب ، دكتوراه ، هو أيضا أستاذ يهوذا فولكمان لبيولوجيا الأوعية الدموية في كلية الطب بجامعة هارفارد (HMS) وبرنامج البيولوجيا الوعائية في مستشفى بوسطن للأطفال ، وأستاذ الهندسة الحيوية في البحار. "من خلال توفير الوصول المباشر إلى الميكروبيوم والأنسجة المعوية المتمايزة ، يمكن استخدام هذه الطريقة لاكتشاف الميكروبات المحددة أو الأيضات التي تسبب المرض أو التي قد تساعد في منع هذه الحالات ،

"إن أنظمة زراعة الأنسجة السابقة التي تهدف إلى إعادة تلخيص التفاعلات بين الميكروبيوم البشري والخلايا الظهارية المعوية في المختبر كانت محدودة في فائدتها لأنها لا تستطيع أن تنمو المكونين في اتصال مباشر مع بعضها البعض ، ولم تحاكي تركيزات الأكسجين المنخفضة في القناة الهضمية قال ساسان جليلي فيروززينزاد ، وهو طالب دراسات عليا ، من أجل البقاء على قيد الحياة من البكتيريا اللاهوائية "، تقاسمها بين فريق إنجبر في معهد ويس وفريق المؤلف المشارك يواكيم كابرال ، دكتوراه ، أستاذ بجامعة لشبونة ، البرتغال . مما يزيد الأمور تعقيدًا: أثناء السفر على طول الأمعاء الدقيقة باتجاه القولون ، تنخفض مستويات الأكسجين بشكل مستمر ، مما يغير أيضًا تكوين الميكروبيوم المحلي.

لرقاقة الأمعاء اللاهوائية ، استفاد الفريق من رقاقة الأمعاء التي أثبتت جدواها والتي تحتوي على قناتين متوازيتين متوازنتين تفصل بينهما غشاء مسامي. لقد قاموا بتطوير الخلايا الظهارية البشرية المعوية على قمة الغشاء في القناة العليا والخلايا البطانية الوعائية من الخلايا الدقيقة المعوية على الجانب الآخر من الغشاء في القناة السفلية. كانت الخلايا المعوية المستخدمة لربط رقائق الأمعاء هذه إما من خط خلية أو تم الحصول عليها من خزعات الدقاق البشري وتوسعت من خلال خطوة عضلية وسيطة شكلوا فيها هياكل نسيجية معوية صغيرة ، تم تقسيمها إلى أجزاء قبل أن يتم تربيتها في رقاقة.

لاستيعاب ميكروبيوم كامل ، وضع الفريق رقائق الأمعاء في غرفة لاهوائية مصممة خصيصًا ، مما سمح لهم بتخفيض تركيز الأكسجين بشكل كبير في القناة الظهارية المعوية العليا ، مع الحفاظ على القناة البطانية السفلية بتركيزات الأكسجين الطبيعية. وقالت المؤلفة المشاركة الأولى إليزابيث كالاماري ، مساعدة باحث في فريق إنجبر ، حيث صممت الجهاز مع فريق كبار موظفي Wyss: "لقد أنشأنا تدرجًا في الأكسجين عبر القناتين ما زال يسمح بدعم الظهارة المعوية مع نشر الأكسجين عبر الغشاء المسامي". المهندس والمؤلف المشارك ريتشارد نوفاك ، دكتوراه "بالإضافة إلى ذلك ، قمنا بتزويد رقائق الأمعاء بأجهزة استشعار بصرية يمكنها الإبلاغ عن تركيزات الأكسجين المحلية في كلا القناتين في الوقت الفعلي دون الإخلال بتدرج الأكسجين."

تم حقن عينات الميكروبيوم المعقدة إما التي تم الحصول عليها من براز بشري صحي ومثقف بشكل مستقر في الفئران الخالية من الجراثيم أو المعزولة حديثًا من البراز الرضع ، في القناة الظهارية العليا ، حيث تم ملامستها مباشرة لطبقة المخاط التي يفرزها بشكل طبيعي ظهارة الأمعاء الكامنة. والأهم من ذلك ، أن تنوع المجموعات البكتيرية المتعاقبة ، عندما ينمو تحت ظروف انخفاض الأكسجين ، حافظ على الثراء الملاحظ في الأمعاء البشرية. وقال جليلي فيروزينزهاد "لقد أظهرنا من خلال تحليل الجينوم أننا استطعنا زراعة أكثر من 200 مجموعة مميزة من البكتيريا لعدة أيام مع وفرة ونسب من البكتيريا اللاهوائية المماثلة لتلك التي لوحظت في البراز البشري". "الأهم من ذلك،

أن تكون قادرة على النظر في تكوين وتغيير الميكروبات البشرية الكاملة في اتصال مباشر مع الأنسجة المعوية البشرية في المختبر وعلى مدى أيام يفتح فرصا للطب شخصية واختبار المخدرات. وقالت فرانشيسكا جازانيغا ، المؤلفة الأولى المشاركة في الدراسة ، "يمكننا زراعة الأنسجة المعوية والميكروبيومات الخاصة بالمنطقة من نفس الفرد لإيجاد الجمعيات التي تسبب الحساسية أو التسامح مع أمراض مُمْرِضة أو التهابية أو جهازية معينة". شارك زميل ما بعد الدكتوراة بين مجموعة Ingber ومجموعة مؤلف مشارك Dennis Kasper ، MD ، أستاذ علم المناعة في HMS. "من خلال رقاقة الأمعاء اللاهوائية ، يمكننا أيضًا اختبار الآثار المباشرة للعقاقير على الميكروبيوم البشري قبل إعطائها للناس."

مؤلفون آخرون في الدراسة حاضرون وأعضاء سابقون في فريق إنجبر وموظفو معهد ويس ، بما في ذلك عالم المعلوماتية الكبير ديوغو كاماتشو ، دكتوراه ؛ زميل سريري سيسيلي فاضل ، دكتوراه ، دكتوراه ؛ زميل ما بعد الدكتوراه أمير بين ، دكتوراه ؛ مساعدو البحث بن سوينور ، مايكل كرونس وبريت نيستور ؛ طالب الدراسات العليا اليسيو توفاجليري ؛ عضو هيئة الأركان السابق أورين ليفي ، دكتوراه ، ماجستير في إدارة الأعمال ؛ وكذلك كاثرين غريغوري ، دكتوراه ، RN ، المدير التنفيذي لصحة المرأة وحديثي الولادة في مستشفى بريجهام ومستشفى النساء ؛ وديفيد بريولت ، دكتوراه في الطب ، دكتوراه ، أستاذ مشارك في HMS ومستشفى بوسطن للأطفال. تم تمويل هذه الدراسة من قبل معهد Wyss للهندسة المستوحاة بيولوجيًا بجامعة هارفارد ، ومؤسسة Fundação para a Ciência ea Tecnologia (FCT) في البرتغال ، وإدارة الأدوية الفيدرالية الأمريكية ، DARPA

شارك المقالة عبر:

اترك تعليقا:

اعلانك هنا

الاكتر شيوعا

إجمالي مرات مشاهدة الصفحة

Wikipedia

نتائج البحث

نموذج الاتصال

الاسم

بريد إلكتروني *

رسالة *

نموذج الاتصال

الاسم

بريد إلكتروني *

رسالة *