Tunntarmen är den viktigaste platsen där vi smälter och absorberar näringsämnen och mineraler från mat, och det är också en plats där många tarminfektioner uppstår och matsmältnings- och inflammatoriska störningar manifesterar sig. För att bättre förstå tarmen i dess normala och patologiska tillstånd, forskare har skapat "organoider" genom att isolera tarmstamceller från humana biopsiprover. Dessa organoider bildar alla celltyper som finns i människans tarm, men de växer som cystor omgiven av tjocka extracellulära matrisgeler med sin "apikala" cellyta (som normalt utsätts för tarminnehållet) vänd mot ett slutet lumen. Detta förhindrar studier av dynamiska processer som involverar tarmbarriären, inklusive närings- och drogtransport, liksom dess interaktioner med mikrobiomet. Dessutom, organoider saknar kärl och de mekaniska rörelser som orsakas av normal peristaltik och blodflöde, som är avgörande för många processer i tarmen, inklusive dess regenerering och kontroll av bakteriell överväxt.

I ett försök att övervinna dessa begränsningar, ett team vid Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering under ledning av dess grundande direktör, Donald Ingber, M.D., Ph.D., hade tidigare konstruerat en mikrofluidisk "Organ-on-a-Chip" (Organ Chip) odlingsanordning där celler från en mänsklig tarmcellinje som ursprungligen isolerades från en tumör odlades i en av två parallella löpande kanaler, separeras av ett poröst matrisbelagt membran från humana blodkärlshärledda endotelceller i den intilliggande kanalen. Även om detta mänskliga Gut Chip återskapade villusepitelet i normal tarm och möjliggjorde nya insikter om hur flöde och cyklisk peristaltik påverkar tarmdifferentiering och funktion, den kunde inte användas för att studera processer som förlitar sig på normala tarmceller från enskilda givare, som, till exempel, är avgörande för att studera patientspecifika svar för personlig medicin.

I en ny studie, publicerad i Vetenskapliga rapporter , Ingbers team tar nu bort dessa vägspärrar. "Vi kan nu utnyttja organoidmetoden för att isolera tarmstamceller från mänskliga biopsier, men vi bryter ner organoiderna och odlar de patientspecifika cellerna i våra organchips där de spontant bildar tarmvilli orienterade mot kanalens lumen, och epitelet i nära anslutning till humant tarmmikrovaskulärt endotel, "sa Ingber, som också är Judah Folkman professor i vaskulär biologi vid Harvard Medical School (HMS) och Vascular Biology Program på Boston Children's Hospital, samt professor i bioingenjör vid Harvards John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS). "Detta tillvägagångssätt presenterar en ny språngbräda för utredning av normala och sjukdomsrelaterade processer på ett mycket personligt sätt, inklusive transport av näringsämnen, matsmältning, olika tarmsjukdomar, och tarminteraktioner med kommensala mikrober såväl som patogener. "

Teamet samarbetade med David Breaults laboratorium vid Boston Barnsjukhus för att bygga ett organoid kultursteg i deras procedur för att isolera normala tarmstamceller och öka deras cellantal. De resulterande organoiderna kan antingen bankas för framtida bruk eller omedelbart fragmenteras och fröas in i "epitel" -kanalerna för flera orgelchips där de mognades ytterligare genom att strömma specialiserat odlingsmedium och tillämpa mekanisk stimulering på kanalerna för att efterlikna fysiologiska peristaltisliknande rörelser. Epitelets mognad till ett villus-tarmepitel med långa fingerliknande förlängningar fick hjälp av att samodla humana intestinala mikrovaskulära endotelceller på motsatt sida av det delade matrisbelagda porösa membranet i den "vaskulära" kanalen där de samlade ett surrogatblod kärl med ett ihåligt lumen genom vilket matningsmedium strömmade.

Således, som kombinerar två av de mest avancerade teknikerna inom vävnadsteknik? organoid kultur och orgelchips? tillåtet att generera tarmvävnader och strukturer på organisk nivå kantade av humana givarspecifika celler med morfologi, sammansättning, och fungerar starkt som den i duodenalregionen i normal tunntarm. "Eftersom det primära tjocktarmen -chipet sammanfattar den fysiska mikromiljö som celler upplever inuti människokroppen, såsom vätskeflöde och cykliska peristaltisliknande sträckrörelser, den uppvisar en genomomfattande genuttrycksprofil som kommer närmare sin in vivo-motsvarighet än samma tarmceller som odlas som 3D-organoider, "sa författaren Magdalena Kasendra, Ph.D., en tidigare postdoktor i Ingbers team och nu rektor vid Emulate, Inc. i Boston.

Tillsammans med tarmstamceller, laget identifierade differentierade näringsuppslutande och absorberande enterocyter, slemproducerande bägare-celler, hormonutsöndrande enteroendokrina celler, och mikrobiomreglerande och avkännande Paneth-celler, och de utförde en rad analyser som bekräftade deras funktioner. Eftersom tunntarmsmikromiljön kan upprätthållas i veckor i kontinuerligt perfunderade organchips, de möjliggör både kort- och långsiktiga studier vars observationer kan relateras till enskilda givares hälsa och fysiologi.

Ingbers team tillämpar samma tillvägagångssätt nu för olika delar av tarmen - tolvfingertarmen, jejunum, ileum, och kolon - vars funktioner och sjukdomssårbarheter skiljer sig från varandra. Detta tillvägagångssätt används också för att omvandla ännu mer komplexa tarmmiljöer genom att integrera andra celltyper, såsom immunceller, neuronala celler, och kommensala mikrober in i enheten. "I framtiden, sådana ansträngningar kan tillåta oss att mycket bättre förstå interaktioner mellan människa och mikrobiom, modell undernäringsstörningar och inflammatoriska sjukdomar i tarmen, och utföra personliga drogtester, "sa förste författaren Alessio Tovaglieri, doktorand vid Institutionen för hälsovetenskap och teknik vid ETH Zürich i Schweiz, som utför sitt avhandlingsarbete i Ingbers team.