Intestine-on-a-chip: biotehnologia care permite înțelegerea mecanismelor fiziopatologice și genetice în cazul unei afecțiuni inflamatorii a intestinului la copii
Tehnologia „organs-on-chip” a început să fie din ce în ce mai studiată în ultimii ani, având potențialul de a conduce la o înțelegere mai bună a bolilor, a diverselor mecanisme fizice, chimice, biologice sau genetice implicate în apariția și manifestarea acestora, precum și la descoperirea unor noi abordări terapeutice sau personalizarea tratamentelor deja existente. Modele precum lungs-on-chip, neurons-on-chip, microvasculature-on-chip, s-au dovedit eficiente în studiile de laborator, oferind o alternativă de cercetare facilă și deschizând calea spre informații științifice greu de accesat în alte moduri.
O echipă de oameni de știință de la Wyss Institute, Universitatea Harvard, a dezvoltat un astfel de dispozitiv, intestine-on-chip, pentru a observa rolul pe care factorii genetici și o dietă deficitară îl au în dezvoltarea unei afecțiuni inflamatorii cronice a intestinului (EED – environmental enteric dysfunction), la copii. Pe lângă o înțelegere mai bună a mecanismelor bolii, în momentul în care sunt utilizate biopsii, platforma permite monitorizarea non-invazivă a digestiei, absorbției și reacțiilor alergice ale pacientului.
Conform studiului in vitro, au putut fi identificate alterări ale expresiei genetice în rândul a 287 de gene, 86 dintre acestea fiind supraexprimate, iar 201 subexprimate. Aceste diferențe au fost cu atât mai pronunțate în momentul în care celulele au fost crescute într-un mediu din care lipseau nutrienți esențiali – triptofan (aminoacid esențial) și niacina (o vitamină din grupa B).
Rezultatele studiului au fost publicate în jurnalul Nature Biomedical Engineer, autorii subliniind avantajele pe care un astfel de dispozitiv le poate avea în studiul aprofundat al EED, precum și în dezvoltarea unor abordări personalizate în ceea ce privește tratamentul acestei afecțiuni. Milioane de copii din țările cu venituri mici și medii suferă de EED, afecțiunea fiind asociată cu malnutriția, cu o creștere îngreunată și cu deficiență cognitivă.
„Există tulburări funcționale la nivelul sistemului digestiv al acestor copii cu EED, afectând abilitatea de a absorbi nutrienți și a se lupta cu infecțiile, ceva care nu poate fi vindecat doar prin asigurarea nutrienților care le lipsesc din dietă. Dispozitivul nostru ne-a permis să descifrăm ce anume s-a întâmplat cu intestinul încât i-a fost atât de grav alterată funcția normală, atât din punct de vedere fizic, cât și genetic” – a declarat unul dintre autorii principali ai studiului, Prof. Amir Bein, Wyss Institute.
Arhitectura intestine-on-chip
Chip-ul a fost obținut dintr-un material polimeric flexibil, în care au fost incorporate două canale microfluidice paralele. Unul dintre canale conține celule epiteliale din intestinele umane, iar cel de-al doilea conține celule ale vaselor de sânge. În cel din urmă a fost introdus un mediu care să mimeze sângele pentru a asigura supraviețuirea celulelor. Între cele două canale există o membrană permeabilă care permite trecerea nutrienților și a semnalelor chimice.
În total au fost construite două intestine-on-chip, unul care conținea celule EED și celălalt care conținea celule sănătoase. De asemenea, ambele platforme au fost studiate atât într-un mediu nutritiv corespunzător, cât și într-un mediu deficitar în nutrienți.
„Una dintre contribuțiile majore ale studiului cu privire la cercetarea și tratamentul EED este faptul că am fost capabili să atribuim diverse răspunsuri celulare în mod specific deficienței nutriționale, modificărilor genetice de la nivelul celulelor intestinale sau o combinație a ambilor factori – diferențe care nu au putut fi până acum observate în cazul studiilor clinice sau pe modele de laborator animale. Semnătura genetică a EED nu a fost suficientă pentru replicarea completă a afecțiunii în chip-urile noastre; expunerea adițională la malnutriție a fost necesară. Acest lucru înseamnă că deficiența nutritivă în sine întrerupe procesarea nutrienților, fapt care creează o buclă de feedback care la rândul său înrăutățește aportul nutritiv la pacienții cu EED” – a explicat Prof. Amir Bein.
Pentru a replica situația unui copil cu EED, cercetătorii au creat chip-ul EED utilizând celule epiteliale intestinale provenite din biopsiile pacienților. Platforma conținea o serie de caracteristici întâlnite în cazul EED precum inflamația, disfuncția barierei intestinale, absorbție redusă a nutrienților. În cazul celui de-al doilea chip, cercetătorii au utilizat celule epiteliale intestinale provenite de la copii sănătoși.
Citește și:
- Ce înseamnă alimentația sănătoasă? Noi date arată impactul interacțiunii dintre microbiom, dietă și organismul uman
- Spațiul European de Date pentru Sănătate. Care sunt principiile de utilizare a datelor și cum va schimba EHDS domeniul sănătății?
- STUDIU. O aplicație care analizează limbajul poate identifica precoce cazurile de insuficiență cardiacă decompensată, prevenind spitalizările