Des souris et des hommes et leurs différentes tolérances aux agents pathogènes – Technoguide

Des milliards de microbes commensaux vivent sur les surfaces muqueuses et épidermiques du corps et il est fermement établi que ce microbiome affecte la tolérance de son hôte et la sensibilité de l’hôte à une variété d’agents pathogènes. Cependant, la tolérance de l’hôte à l’infection par des agents pathogènes n’est pas également développée dans tous les organismes. Par exemple, on sait que le microbiome intestinal des souris protège plus efficacement contre l’infection par certains pathogènes, comme la bactérie Salmonella typhimurium, que le microbiome intestinal humain.

Cela soulève la possibilité intéressante que l’analyse des différences entre les interactions hôte-microbiome chez l’homme et d’autres espèces, telles que les souris, et l’identification des types individuels de bactéries qui protègent ou sensibilisent contre certains agents pathogènes, pourraient conduire à des types d’approches thérapeutiques entièrement nouveaux. Cependant, alors que la composition du microbiome intestinal et son effet sur les réponses immunitaires de l’hôte ont été bien étudiés chez la souris, il n’est pas possible d’étudier comment le microbiome interagit directement avec les cellules épithéliales tapissant l’intestin dans des conditions hautement définies, et ainsi découvrir des souches bactériennes spécifiques. qui peuvent induire une tolérance de l’hôte aux agents pathogènes infectieux.

Maintenant, une équipe collaborative dirigée par le directeur fondateur de Wyss, Donald Ingber, MD, Ph.D. à Harvard’s Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering et Dennis Kasper, MD de la Harvard Medical School (HMS) a exploité la technologie microfluidique Organs-on-Chip (Organ Chip) de Wyss pour modéliser les différentes sections anatomiques de l’intestin de la souris et leur symbiose avec un microbiome vivant complexe in vitro. Les chercheurs ont récapitulé les effets destructeurs de S. typhimurium sur la surface épithéliale intestinale dans une puce de côlon de souris modifiée, et dans une analyse comparative des microbiomes de souris et humains ont pu confirmer que la bactérie commensale Enterococcus faecium contribue à la tolérance de l’hôte à l’infection à S. typhimurium . L’étude est publiée dans Frontiers in Cellular and Infection Microbiology.

Le projet a été lancé dans le cadre d’un projet «Technologies for Host Resilience» (THoR) soutenu par la DARPA à l’Institut Wyss, dont le but était de découvrir des contributions clés à la tolérance à l’infection en étudiant les différences observées chez certaines espèces animales et chez les humains. En utilisant une puce colon humaine, le groupe d’Ingber avait montré dans une étude précédente comment les métabolites produits par des microbes dérivés de matières fécales de souris et humaines ont un potentiel différent pour influer sur la sensibilité à l’infection par un pathogène entérohémorragique E. coli.

«La recherche biomédicale dépend fortement de modèles animaux tels que les souris, qui ont sans aucun doute d’énormes avantages, mais ne fournissent pas la possibilité d’étudier les processus normaux et pathologiques au sein d’un organe particulier, comme l’intestin, en gros plan et en temps réel. Une importante étude de validation de principe avec le groupe de Dennis Kasper souligne que notre plate-forme de puce d’intestin de souris offre exactement cette capacité et offre la possibilité d’étudier les interactions hôte-microbiome avec des microbiomes de différentes espèces dans des conditions hautement contrôlables in vitro », a déclaré Ingber. «Compte tenu du niveau profond de caractérisation de l’immunologie des souris, cette capacité pourrait grandement contribuer à faire progresser les travaux des chercheurs qui utilisent actuellement ces animaux pour faire des recherches sur le microbiome et les réponses de l’hôte. l’avenir afin que l’accent puisse être mis sur l’identification des caractéristiques de la réponse de l’hôte qui sont les plus pertinentes pour les humains. ” Ingber est également professeur Judah Folkman de biologie vasculaire au HMS et au Boston Children’s Hospital, et professeur de bio-ingénierie à la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences.

Conception d’une plate-forme d’intestin sur puce de souris

Dans leur nouvelle étude, l’équipe s’est concentrée sur le tractus intestinal de la souris. << Il a toujours été extrêmement difficile de modéliser les interactions hôte-microbiome en dehors de tout organisme, car de nombreuses bactéries sont strictement anaérobies et meurent dans des conditions normales d'oxygène atmosphérique. La technologie Organ Chip peut recréer ces conditions, et il est beaucoup plus facile d'obtenir des cellules intestinales et immunitaires primaires des souris plutôt que de devoir compter sur des biopsies humaines », a déclaré la première auteure Francesca Gazzaniga, Ph.D., boursière postdoctorale qui travaille entre les groupes d'Ingber et de Kasper et a dirigé le projet.

Gazzaniga et ses collègues ont isolé des cryptes intestinales de différentes régions du tractus intestinal de la souris, y compris le duodénum, ​​le jéjunum, l’iléon et le côlon, ont amené leurs cellules à travers une étape “organoïde” intermédiaire en culture dans laquelle de petits fragments de tissu se forment et se développent, qu’ils puis ensemencé dans l’un des deux canaux parallèles perfusés microfluidiquement des puces d’organe de Wyss pour créer des puces d’intestin spécifiques à la région. Le deuxième canal perfusé indépendamment imite le système vasculaire sanguin et est séparé du premier par une membrane poreuse qui permet l’échange de nutriments, de métabolites et de molécules sécrétées que les cellules épithéliales intestinales utilisent pour communiquer avec les cellules vasculaires et immunitaires.

Rechercher le pathogène

L’équipe s’est ensuite penchée sur S. typhimurium en tant que pathogène. Premièrement, ils ont introduit l’agent pathogène dans la lumière épithéliale de la puce de colon de souris modifiée et ont récapitulé les principales caractéristiques associées à la dégradation de l’intégrité des tissus intestinaux connus d’après les études sur la souris, y compris la perturbation des adhérences normalement serrées entre les cellules épithéliales voisines, une diminution de la production de mucus, un pic de sécrétion d’une chimiokine inflammatoire clé (l’homologue de souris de l’IL-8 humaine) et des changements dans l’expression des gènes épithéliaux. En parallèle, ils ont montré que la puce Colon de souris soutenait la croissance et la viabilité de consortiums bactériens complexes normalement présents dans les microbiomes intestinaux de souris et humains.

En réunissant ces capacités, les chercheurs ont comparé les effets de consortiums microbiens spécifiques de souris et d’humains qui étaient auparavant maintenus de manière stable dans les intestins de souris “ gnotobiotiques ” hébergées dans des conditions exemptes de germes par l’équipe Kasper. En collectant des microbiomes complexes dans les selles de ces souris, puis en les inoculant dans les puces du côlon, les chercheurs ont observé une variabilité puce à puce dans la composition du consortium, ce qui leur a permis de relier la composition microbienne aux effets fonctionnels sur l’épithélium de l’hôte. “L’utilisation du séquençage 16s nous a donné une bonne idée des compositions microbiennes des deux consortiums, et un nombre élevé d’une seule espèce, Enterococcus faecium, généré par une seule d’entre elles dans la puce du côlon, a permis au tissu intestinal de mieux tolérer l’infection, “a déclaré Gazzaniga. «Cela a bien confirmé les découvertes passées et validé notre approche en tant que nouvelle plate-forme de découverte que nous pouvons maintenant utiliser pour étudier les mécanismes qui sous-tendent ces effets ainsi que la contribution des contributions des cellules immunitaires vitales à la tolérance de l’hôte, ainsi que les processus infectieux impliquant d’autres agents pathogènes. “

«La technologie de l’intestin de souris sur puce offre une approche unique pour comprendre la relation entre le microbiote intestinal, l’immunité de l’hôte et un pathogène microbien. Cette interrelation importante est difficile à étudier chez l’animal vivant car il y a tellement de facteurs incontrôlables. La beauté de ce système est que pratiquement tous les paramètres que vous souhaitez étudier sont contrôlables et peuvent être facilement surveillés. Ce système est un pas en avant très utile », a déclaré Kasper, qui est le William Ellery Channing professeur de médecine et professeur d’immunologie à HMS.

Les chercheurs pensent que leur approche comparative in vitro pourrait révéler des interférences spécifiques entre les agents pathogènes et les bactéries commensales avec les cellules épithéliales et immunitaires intestinales, et que des bactéries améliorant la tolérance pourraient être utilisées dans de futures thérapies, ce qui pourrait contourner le problème en augmentant la résistance aux antimicrobiens de souches bactériennes pathogènes.

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