Los investigadores modelan una enfermedad infantil compleja en un chip

Los investigadores modelan una enfermedad infantil compleja en un chip
Los investigadores modelan una enfermedad infantil compleja en un chip

Millones de niños en países de bajos y medianos ingresos sufren de disfunción entérica ambiental (DEE), una enfermedad inflamatoria crónica del intestino que es la segunda causa principal de muerte en niños menores de cinco años. La EED es una condición devastadora que se asocia con desnutrición, retraso en el crecimiento y desarrollo cognitivo deficiente, lo que afecta permanentemente la calidad de vida de los pacientes. Además, las vacunas orales son menos efectivas en niños con EED, lo que los deja vulnerables a enfermedades prevenibles. Si bien algunos casos de EED se pueden tratar simplemente mejorando la dieta del paciente, una mejor nutrición no ayuda a todos los niños. La falta de nutrientes adecuados y la exposición a agua y alimentos contaminados contribuyen a la EED, pero se desconoce el mecanismo subyacente de la enfermedad.

Ahora, un equipo de investigadores del Instituto Wyss de la Universidad de Harvard ha creado un in vitro modelo humano de EED en un dispositivo de microingeniería Intestine Chip, que proporciona una ventana a la compleja interacción entre la desnutrición y los factores genéticos que impulsan la enfermedad. Sus chips EED recapitulan varias características de EED que se encuentran en biopsias de pacientes humanos, incluida la inflamación, la disfunción de la barrera intestinal, la reducción de la absorción de nutrientes y la atrofia de las vellosidades (diminutas proyecciones similares a cabellos) en las células intestinales.

También descubrieron que privar a los Intestine Chips sanos de dos nutrientes cruciales, la niacinamida (una vitamina) y el triptófano (un aminoácido esencial), provocó cambios morfológicos, funcionales y genéticos similares a los que se encuentran en los pacientes con EED, lo que sugiere que su modelo podría usarse para identificar y probar los efectos de tratamientos potenciales.

Funcionalmente, hay algo muy malo con el sistema digestivo de estos niños y su capacidad para absorber nutrientes y combatir infecciones, que no se puede curar simplemente dándoles los nutrientes que les faltan en su dieta. Nuestro modelo de DEE nos permitió descifrar lo que le sucedió al intestino, tanto física como genéticamente, que afecta tan dramáticamente su función normal en pacientes con DEE”.

Amir Bein, RD, Ph.D., coprimer autor, ex investigador posdoctoral sénior en el Instituto Wyss y ahora vicepresidente de biología en Quris Technologies

La investigación se publica hoy en Naturaleza Ingeniería Biomédica.

Modelado de una enfermedad compleja en un chip

El proyecto EED Chip surgió de conversaciones entre el Director Fundador del Instituto Wyss, Donald Ingber, MD, Ph.D. y la Fundación Bill y Melinda Gates, que tiene un interés establecido en apoyar la investigación para comprender y tratar las enfermedades entéricas. Reconociendo que no había habido in vitro estudios de EED para estudiar sus mecanismos moleculares, un equipo de Wyss de más de 20 personas se dedicó a crear un modelo de EED utilizando su tecnología de chip de órgano humano desarrollada en el laboratorio de Ingber.

Comenzaron con los chips intestinales del Instituto Wyss, desarrollados por primera vez en 2012, que consisten en canales microfluídicos huecos paralelos que atraviesan un material polimérico flexible. Un canal está revestido con células epiteliales intestinales humanas, mientras que el otro canal está revestido con células de vasos sanguíneos humanos. Un medio que imita la sangre fluye a través del chip del vaso sanguíneo para mantener vivas las células, y una membrana permeable entre los dos canales permite que los nutrientes y las señales químicas viajen entre los dos tejidos. Para replicar EED en estos chips, los investigadores recubrieron el canal epitelial de Intestine Chips con células derivadas de biopsias quirúrgicas de pacientes con EED, que la Fundación Gates ayudó a obtener de la Universidad Aga Khan en Pakistán. También crearon chips saludables revestidos con células epiteliales intestinales de niños sanos para comparar.

“Debido a que la EED es tan frecuente en partes del mundo donde la desnutrición y el saneamiento deficiente son grandes problemas, no estaba claro qué papel, si es que desempeña alguno, la genética o la epigenética en la enfermedad. Sabíamos que había un grupo de pacientes que simplemente no t responden a la nutrición, y pensé que las células de sus intestinos podrían responder de manera diferente a la desnutrición en comparación con las células de los intestinos de niños sanos”, dijo la coautora principal Cicely Fadel, MD, Ph.D., neonatóloga asistente en Beth Israel Deaconess Medical Center, Instructora de Pediatría en la Facultad de Medicina de Harvard (HMS) y ex becaria clínica que trabaja con Ingber en el Instituto Wyss. Ella y sus coautores intentaron resolver ese misterio mediante el estudio de los patrones de expresión génica de las células en sus EED Chips vs. Healthy Chips.

El equipo descubrió que 287 genes en los chips EED mostraban diferentes niveles de expresión. Entre ellos se encontraban genes asociados con la inflamación, las lesiones intestinales y las uniones entre células. Cuando compararon el perfil genético de los chips EED con una firma genética clínica de pacientes con EED cuya enfermedad no se resolvió mediante una intervención nutricional, encontraron cierta superposición entre los genes de sus chips y los genes de las muestras.

Luego, para imitar la desnutrición que experimentan muchos pacientes con EED, cambiaron el medio que suministraba nutrientes a sus chips eliminando la niacinamida y el triptófano, los cuales son cruciales para el crecimiento saludable de los niños y el mantenimiento de la salud en los adultos.

El efecto fue sorprendente.

Cuando se cultivaron con una deficiencia de nutrientes, los Healthy Chips mostraron 690 genes con diferentes patrones de expresión en comparación con sus contrapartes que obtuvieron una nutrición completa, y en los EED Chips, la friolera de 969 genes tenían diferentes patrones de expresión. Seis de los diez genes principales que estaban regulados positivamente en la firma clínica del gen EED de biopsias de pacientes también estaban regulados positivamente en los chips EED cultivados con deficiencia de nutrientes.

“La concordancia entre nuestra firma de chip EED deficiente en nutrientes y la firma encontrada en pacientes humanos fue realmente emocionante. No solo podemos recrear la forma y función intestinal de EED, sino que también lo estamos haciendo utilizando las mismas vías genéticas que están operando en pacientes humanos Eso abre la posibilidad de que podamos probar medicamentos y otros tratamientos en el chip EED y obtener una respuesta que podría ser similar a la que vería en los pacientes “, dijo Fadel.

Provocando naturaleza vs. crianza

Luego, los científicos analizaron los chips desde múltiples ángulos para determinar exactamente qué diferencias entre los chips EED y los chips saludables fueron causadas solo por la deficiencia de nutrientes frente a las diferencias de expresión genética inherentes.

Algunos efectos de la deficiencia nutricional parecían afectar por igual a los chips Healthy y EED. Ambos tipos de chips mostraron una regulación al alza de ciertas vías genéticas asociadas con la producción de quimiocinas inflamatorias y las respuestas de inanición de aminoácidos, redujeron drásticamente el crecimiento de las estructuras similares a las vellosidades que normalmente se encuentran en sus superficies y produjeron una capa de moco mucho más delgada. Ambos tipos de chips se volvieron “permeables” a medida que las uniones entre sus células se interrumpieron y permitieron que los fluidos se filtraran y mostraran cambios en la absorción de ácidos grasos.

Pero los chips EED mostraron algunas diferencias únicas en sus respuestas a la deficiencia nutricional, todas las cuales coincidían con los rasgos observados en las biopsias de EED humanas. Los intestinos de los pacientes con EED tienen un desarrollo reducido de sus superficies internas (conocidas como borde en cepillo) y un crecimiento celular deteriorado, y en los chips EED se observó una regulación a la baja de las vías genéticas asociadas con ambos procesos. Se sabe que las células de Paneth, que ayudan a regular el microbioma en el intestino, se agotan en los pacientes con EED, y los marcadores de células de Paneth se redujeron en los chips EED. Los transportadores de aminoácidos también estaban regulados a la baja.

El equipo descubrió que los chips EED producían niveles más bajos de citocinas inflamatorias en comparación con los chips saludables cultivados en las mismas condiciones. Pero una vez que ambos chips estuvieron expuestos a deficiencias nutricionales, los chips EED produjeron significativamente más citocinas en comparación con los chips saludables. El tejido inflamado requiere más calorías para mantenerse y renovarse, y es posible que los pacientes con EED con inflamación intestinal crónica no puedan consumir suficientes calorías para mantener sus tejidos y apoyar su crecimiento, lo que contribuye al retraso del crecimiento. Esta inflamación también puede reducir la capacidad del intestino para procesar las vacunas orales.

Incluso cuando la gama completa de nutrientes estaba disponible, los chips EED mostraron una capacidad reducida para absorber esos nutrientes en el canal epitelial y transferirlos al canal vascular en comparación con los chips saludables, lo que sugiere además que la función del tejido EED estaba inherentemente comprometida.

“Una de las principales contribuciones de este estudio a los esfuerzos de investigación y tratamiento de la EED es que pudimos atribuir varias respuestas celulares específicamente a la deficiencia nutricional, cambios genéticos en las células intestinales o una combinación de ambos, distinciones que no ha sido posible hacer en estudios clínicos o modelos animales”, dijo Bein. “La firma del gen EED por sí sola no fue suficiente para replicar completamente la EED en nuestros chips: la exposición adicional a la desnutrición fue necesaria. Esto implica que la deficiencia nutricional en sí interrumpe el procesamiento de nutrientes, lo que crea un ciclo de retroalimentación que empeora aún más la absorción nutricional en pacientes con EED. .”

El equipo continúa estudiando la EED con su modelo y planea incorporar células inmunitarias para estudiar más a fondo la inflamación y su interacción con la nutrición, además de cómo afecta la respuesta del cuerpo a las vacunas. También están trabajando para agregar un microbioma de pacientes con EED a los chips para estudiar cómo los cambios en el microbioma pueden afectar la enfermedad.

“Cada reunión regular que nuestro equipo ha tenido con la Fundación Gates sobre este proyecto a lo largo de los años ha comenzado con una presentación de diapositivas de niños reales que sufren de EED. Esos niños son nuestros clientes: los pacientes impulsan todo lo que hacemos en el Instituto Wyss. , y nos motiva a trabajar duro, a menudo durante años, para crear soluciones a problemas difíciles que pueden mejorar drásticamente su calidad de vida. No descansaremos hasta que hayamos encontrado esa solución”, dijo Ingber, quien también es el Judah Folkman Profesor de Biología Vascular en el HMS y el Boston Children’s Hospital (BCH), así como en el Hansjörg Wyss Profesor de Ingeniería Bioinspirada en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de Harvard (SEAS).

Fuente:

Instituto Wyss de Ingeniería Biológicamente Inspirada en Harvard

Referencia de la revista:

Bein, A., et al. (2022) La deficiencia nutricional en un intestino en un chip recapitula las características de las lesiones asociadas con la disfunción entérica ambiental. Naturaleza Ingeniería Biomédica. doi.org/10.1038/s41551-022-00899-x.

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