在芯片上模拟一种毁灭性的儿童疾病
低收入和中等收入国家有数百万儿童患有环境性肠功能障碍，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。快速生长障碍是一种毁灭性的疾病，与营养不良、生长迟缓和认知发展不良有关，永久影响患者的生活质量。此外，口服疫苗对患有急性病的儿童效果较差，使他们容易感染本可预防的疾病。虽然有些急症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的儿童。缺乏足够的营养以及接触受污染的水和食物都是导致生长障碍的原因，但疾病的根本机制仍不清楚。
现在，哈佛大学威斯研究所的一组研究人员创建了一个在体外在微工程肠芯片装置中建立的人类ed模型，为了解营养不良和糖尿病之间的复杂相互作用提供了一个窗口遗传因素推动了疾病。他们的EED芯片重现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、肠屏障功能障碍和减少营养吸收肠细胞上的绒毛(微小的毛发状突起)萎缩。
他们还发现，剥夺健康肠片的两种关键营养物质——烟酰胺(一种维生素)和色氨酸(一种维生素)必需氨基酸)引起的形态、功能和基因变化类似于在EED患者中发现的变化，这表明他们的模型可以用于识别和测试潜在治疗的效果。
“从功能上讲，这些孩子的消化系统及其吸收营养和抵抗感染的能力有很大问题，你不能简单地通过给他们提供饮食中缺乏的营养来治愈这些问题。我们的EED模型让我们能够破译肠道发生了什么，无论是生理上还是基因上，这极大地影响了EED患者的正常功能，”共同第一作者Amir Bein说，他是Wyss研究所的前高级博士后研究员，现在是Quris技术公司的生物学副总裁。
这项研究今天发表在自然生物医学工程．
在芯片上建模一种复杂疾病
EED芯片项目源于Wyss研究所创始主任Donald Ingber医学博士和比尔及梅林达·盖茨基金会之间的对话，比尔和梅林达·盖茨基金会在支持理解和治疗肠道疾病的研究方面有既定的兴趣。认识到没有在体外为了研究它的分子机制，一个由20多人组成的威斯研究小组开始利用它创建一个ed模型人体器官的芯片在英格伯实验室开发的技术。
他们从Wyss研究所开始肠片它由并联的空心微流体通道穿过一种柔性聚合物材料组成。一条通道上排列有人体肠上皮细胞，另一条通道上排列有人体血管细胞。一种模拟血液的介质流经血管芯片为了保持细胞的存活，两个通道之间的透膜允许营养物质和化学信号在两个组织之间传递。为了在这些芯片中复制ed，研究人员在肠芯片的上皮通道上排列了来自ed患者的外科活组织切片的细胞，这些细胞是盖茨基金会帮助从巴基斯坦的阿加汗大学获得的。他们还制作了含有健康儿童肠上皮细胞的健康芯片进行比较。
“在世界上营养不良和卫生条件差是大问题的地区，急发性生长障碍非常普遍，因此尚不清楚基因或表观遗传学在这种疾病中是否发挥了作用。我们知道有一群患者对营养没有反应，并认为来自他们肠道的细胞对营养不良的反应可能与来自健康儿童肠道的细胞不同，”共同第一作者Cicely Fadel说，医学博士，贝斯以色列女执事医疗中心的主治新生儿学家，哈佛医学院(HMS)的儿科讲师，和在威斯研究所与Ingber共事的前临床研究员。ob体育开户网址她和她的合著者旨在通过研究他们的ed芯片和健康芯片中细胞的基因表达模式来解开这个谜团。
研究小组发现，EED芯片中的287个基因表现出不同的表达水平。其中包括与炎症、肠道损伤和细胞间连接相关的基因。当他们将ed芯片的基因图谱与那些疾病没有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ed患者经历的营养不良，他们改变了为薯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维持都至关重要。
效果是惊人的。
当它们在缺乏营养的情况下进行培养时，健康芯片显示出690种不同表达模式的基因，而在营养充足的芯片中，有多达969种不同表达模式的基因。患者活检中临床ed基因标记中表达上调的前10个基因中的6个在营养缺乏培养的ed芯片中也表达上调。
“我们的营养缺乏的ed芯片签名和在人类患者中发现的签名之间的一致真的令人兴奋。我们不仅能够重建ed肠道的形态和功能，而且我们还使用了同样的基因通路人类患者．这为我们在ed芯片上测试药物和其他治疗方法提供了可能，并获得类似于在患者身上看到的反应。”
梳理出先天与后天的区别
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差异究竟是由营养缺乏本身造成的，还是由固有的基因表达差异造成的。
营养缺乏的一些影响似乎同样影响了健康薯片和EED薯片。两种类型的芯片都显示了与炎症趋化因子产生和氨基酸饥饿反应相关的某些遗传途径的上调，显著减少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。两种类型的芯片都变得“渗漏”，因为细胞之间的连接被破坏，导致液体渗出，并显示出脂肪酸吸收的变化。
但在对营养缺乏的反应中，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。ed患者的肠道内表面发育减少(称为刷状边界)，细胞生长受损，在ed芯片中观察到与这两种过程相关的基因通路下调。帮助调节肠道微生物群的Paneth细胞在EED患者中已经被耗尽，而EED芯片中的Paneth细胞标记物也减少了。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较低。但一旦两种芯片都暴露在营养不足的环境中，ed芯片产生的细胞因子明显多于健康芯片。发炎的组织需要更多的卡路里来维持和更新，患有肠道慢性炎症的EED患者可能无法摄入足够的卡路里来维持他们的组织和支持他们的生长，导致发育迟缓。这种炎症也可能降低肠道处理口服疫苗的能力。
与健康芯片相比，即使在营养成分齐全的情况下，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。
“这项研究对快速生长障碍的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和基因变化肠细胞或者两者的结合——这在临床研究或动物模型中是不可能做出区分的，”拜因说。“ed基因本身的特征不足以在我们的芯片中完全复制ed——额外的营养不良暴露是必要的。这意味着营养缺乏本身会破坏营养处理，从而形成一个反馈循环，进一步恶化了急性营养障碍患者的营养吸收。”
该团队正在继续用他们的模型研究快速发展，并计划将其纳入研究免疫细胞更深入地研究炎症及其与营养的相互作用，以及炎症如何影响人体对疫苗的反应。他们还致力于在芯片上添加来自于EED患者的微生物组，以研究微生物组的变化如何影响疾病。
“多年来，我们团队与盖茨基金会就这个项目举行的每次例会都以幻灯片开始，展示患有发育障碍的真实儿童。这些孩子是我们的客户——病人推动着我们在威斯研究所所做的一切，并激励我们努力工作，通常是多年，为解决疑难问题创造解决方案，以显著提高他们的生活质量。我们不会休息，直到我们找到解决方案，”Ingber说，他也是HMS和波士顿儿童医院(BCH)的Judah Folkman血管生物学教授，以及哈佛大学约翰A.保尔森工程与应用科学学院(SEAS)的Hansjörg Wyss生物激励工程教授。
论文的其他作者包括前威斯研究所成员Ben Swenor、Wuji Cao、Rani Powers、Diogo Camacho、Sanjay Sharma、Sasan Jalili-Firoozinezhad、Jennifer Grant和Rachelle Prantil-Baun;现任Wyss研究所成员Arash Naziripour, Nina LoGrande, Seongmin Kim和Girija Goyal;来自HMS的Andrew Parsons，来自HMS BCH和哈佛干细胞研究所的David breach;阿迦汗大学的Junaid Iqbal和Asad Ali;辛辛那提儿童医院医疗中心和辛辛那提大学医学院的Lee Denson;以及弗吉尼亚大学的肖恩·摩尔。
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