使用“organs-on-a-chip”模型复杂的疾病

麻省理工学院生物工程师们创建了一个multitissue模型之间的关系,让他们学习不同的器官和免疫系统,在专门的微流体平台上播种与人类细胞。

使用这种类型的模型,有时被称为“organs-on-a-chip”或“physiome-on-a-chip,”研究小组能够探索循环的作用免疫细胞在溃疡性结肠炎和其他炎症性疾病。他们还发现,代谢副产物产生的细菌生活在人类肠道炎症条件下起着重要的作用。

“我们已经表明,现在您可以开始攻击这些真的很棘手,慢性炎性疾病在这些器官在芯片,通过设计实验”琳达·格里菲斯说,工程学院教授的教学创新、生物工程和机械工程教授,这项研究的资深作者。

这种方法,描述今天的日报电池系统也可能有助于研究其他复杂疾病,研究人员说。

“现在我们有选择真正减少或增加疾病的复杂性,在控制和系统的条件下,“马丁Trapecar说,麻省理工学院博士后,论文的主要作者。

复杂的模型

近20年前,格里菲斯的实验室开始工作在一个人类的模型肝被称为“肝脏芯片。”This system, which consists of engineered human liver tissue grown on a specialized scaffold, can be used to test drug toxicity. More recently, she has been working on small-scale replicas of many interconnected organs, also known as microphysiological systems (MPS). In 2018, she reported the development of a platform that could be used to model interactions between up to 10 organs at a time.

这些设备适合于分析复杂疾病,包括那些涉及多个器官,影响免疫系统,或不能由单个基因占少数的基因。

“我们想构建技术,让您连接多个器官系统在一起,这样我们就可以开始开发新的工具来对抗慢性炎性疾病,”格里菲斯说。“在药物开发领域真的挣扎,这不是一个东西单基因病”。

在新电池系统研究中,她和Trapecar着手模型两个器官之间的相互作用,结肠和肝脏。他们也想研究免疫系统,特别是T细胞,影响这些器官。现在已经知道,80%的患者肝脏慢性自身免疫性疾病称为原发性硬化性胆管炎也患有炎症性肠病(IBD)。IBD患者,有更多的机会发展自身免疫性疾病的肝脏。

新系统包含取自患者溃疡性结肠炎结肠细胞,以及健康的肝细胞。研究人员发现,这些组织连接时,他们的生理行为完全改变了孤立时相比。在溃疡性结肠炎肠组织中炎症组织时减少暴露于健康的肝细胞。与此同时,基因和细胞通路参与代谢和免疫功能在两个器官发挥更积极的作用。

研究人员然后添加两种T细胞系统:CD4 + T调节细胞,抑制其他免疫细胞,TH17细胞,刺激炎症。添加这些T细胞迅速gut-liver互动增加炎症和重塑IBD和自身免疫性肝病的某些特征。

最后,研究人员决定调查的潜在作用分子短链脂肪酸(SCFAs)炎性疾病。这些分子是由微生物在人类肠道享用未消化的纤维。SCFAs,包括丁酸盐、丙酸和乙酸,大量生产,约占10%的日常能量需求。

虽然这些化合物有许多人体有益的影响,包括减少炎症,近年来一些研究表明,SCFAs还可以通过刺激炎症造成伤害。麻省理工学院的这项新的研究发现,添加SCFAs溃疡性结肠炎模型大大加剧了整个肝脏和肠道炎症,但前提是T细胞已经存在。

“我们形成的假说,基于这些研究,是短链脂肪酸的作用似乎取决于自适应免疫系统(包括T细胞),”Trapecar说。

也就是说,在炎症的早期阶段,当T细胞不活跃,SCFAs可以帮助减轻炎症。但当许多效应T细胞招募,SCFAs激发他们更多的炎症。这可能是有用的在感染病例,帮助身体抵御入侵者,但它也可以加快自身免疫性疾病。

建模的脑部疾病

本研究的相关项目的研究人员打算看看肠道之间的相互作用,肝脏和大脑。从Sarkis Mazmanian最近的一项研究,加州理工学院微生物学教授,显示在一个鼠标模型帕金森的无菌鼠发达的迹象比住在常规条件下疾病之后。研究表明SCFAs由微生物可能导致观察到的现象和疾病的进展。

格里菲斯的实验室目前正在使用MPS系统阐明SCFAs和帕金森病之间的关系疾病。研究人员还计划研究其他复杂疾病,希望他们的研究结果将有助于指导新疗法的开发目前难以治疗的疾病。

“你真的需要非常复杂的模型,”格里菲斯说。“你当然可以从动物模型得到的假设,但真正前进药物开发,您需要更好的方法来识别目标,构建人类患者样本。”