Pierwsza platforma do modelowania osi mikrobiota-jelita-mózg
Pomimo rozpowszechnienia i kosztów społeczno-ekonomicznych chorób neurodegeneracyjnych, takich jak choroba Alzheimera, czynniki je wywołujące wciąż pozostają nieuchwytne. Jedną z ich potencjalnych przyczyn jest zależność między mózgiem, jelitami a mikroflorą jelitową. Ten obszar badawczy, zaproponowany po raz pierwszy 100 lat temu, sugeruje, że na niektóre choroby neurodegeneracyjne wpływ ma dieta i styl życia. „Obecnie posiadamy dowody na to, że proces starzenia się, zła dieta i stres wpływają na mikrobiotę jelitową, a coraz więcej danych sugeruje, że mają one wpływ także na działanie mózgu. Jednak aby przejść od współzależności do przyczynowości, brakuje nam narzędzi badawczych in vitro”, mówi Carmen Giordano, koordynatorka projektu MINERVA, który został sfinansowany przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych (ERBN). Zespół projektu MINERVA opracował pierwszą platformę wielonarządową modelującą kluczowe powiązania biologiczne na osi mikrobiota-jelita-mózg. „To naprawdę przełomowe osiągnięcie w zakresie badań nad biochemicznymi mechanizmami stanowiącymi podstawę hipotezy wiążącej mikrobiotę z neurodegeneracją oraz poszukiwania terapii opartych na diecie”, dodaje Giordano, profesor nadzwyczajna na Politechnice Mediolańskiej, będącej gospodarzem projektu.
Przełomowa platforma wielonarządowa
Opracowana w ramach projektu MINERVA wielonarządowa platforma składa się z trzech połączonych ze sobą przedziałów. W każdym z nich znajdują się opatentowane milifluidyczne urządzenia typu „narząd na chipie” mieszczące modele komórkowe reprezentujące kluczowe cechy: mózgu i bariery krew-mózg, nabłonka jelitowego i układu odpornościowego oraz mikrobioty. Urządzenia te są połączone hydraulicznie, aby symulować transportowanie wzdłuż osi cząsteczek bioaktywnych, głównie sekretomu, produkowanych przez mikrobiotę. Modele komórkowe in vitro w tych urządzeniach zostały zaprojektowane tak, aby symulować kluczowe cechy odpowiednich układów biologicznych. Przedział mikrobioty umożliwia na przykład hodowlę bakterii na przestrzennej matrycy polimerowej modelującej śluz jelitowy, kluczowy składnik nabłonka jelitowego. W przedziale mózgu natomiast nowy przestrzenny model komórek mózgowych symuluje tkankę mózgową i inne elementy biologiczne, zarówno w typowych warunkach fizjologicznych, jak i w typowych warunkach patologicznych.
Walidacja platformy
Platforma odwzorowywała zarówno stan zdrowia, jak i neurodegeneracji. W przedziale mózgu ustanowiono dwa warunki hodowlane. Neurony, astrocyty i mikroglej – główne komórki mózgu – poddano hodowli wspólnej w celu zbadania wpływu mikrobioty oraz hodowli pojedynczej w celu zbadania wpływu mikrobioty na każdy z typów komórek. Zespół wyhodował ludzką mikrobiotę jelitową o stwierdzonym działaniu uszkadzającym komórki mózgu poprzez aktywację jego układu neuroimmunologicznego, a jednocześnie kompletną mikrobiotę jelitową pobraną od pacjentów z chorobą Alzheimera i zdrowych dawców, po tym jak weszła w interakcję ze śluzem jelitowym. Powstały sekretom przepłynął następnie przez platformę wypełnioną komórkami, po czym oceniono odpowiedź komórek mózgowych. „Porównując scenariusze zdrowia i neurodegeneracji, zaobserwowaliśmy tę samą odpowiedź komórek mózgowych na szkodliwe bodźce mikrobioty, zgodnie z literaturą i doświadczeniami pacjentów. Potwierdza to, że nasze bioinżynieryjne podejście i narzędzie może ujawnić czynniki wyzwalające w układzie mikrobiota-mózg”, mówi Giordano.
Przyszłość modelowania chorób
Projekt MINERVA wnosi swój wkład w rozwijającą się dziedzinę modelowania chorób, sugerując również stworzenie nowej dziedziny łączącej bioinżynierię i neuronaukę, która mogłaby zająć się badaniem innych zaburzeń, w tym autyzmu, stwardnienia rozsianego i chorób autoimmunologicznych. Mogłaby również zająć się modelowaniem wpływu antybiotyków lub innych leków na organizm. Co istotne, ponieważ ludzka mikrobiota może ulegać zmianie pod wpływem diety, praca ta ma istotne implikacje terapeutyczne. Poprzez zastosowanie wybranych prebiotyków (składnik spożywczy) i probiotyków (prozdrowotne szczepy bakterii) platforma mogłaby pomóc w określeniu odpowiednich zmian w diecie i stylu życia, oferując skuteczne, nieinwazyjne strategie profilaktyczne i terapeutyczne. „Wszechstronność naszego modelu doświadczalnego pozwala naukowcom badać mechanizmy komórkowe i molekularne, które potencjalnie leżą u podstaw wszystkich ciężkich chorób wielonarządowych”, zauważa Giordano. Oprócz licznych okazji do promowania prac projektu MINERVA w 2019 roku Giordano otrzymała grant ERBN na weryfikację poprawności projektu DIANA, poświęconego badaniom przesiewowym leków ukierunkowanych na mózg. Otrzymała również finansowanie (od włoskiego Ministerstwa Szkolnictwa Wyższego i Badań Naukowych) na realizację projektu MIUR-FARE PEGASO, w ramach którego platforma MINERVA testowana jest pod kątem zastosowania w medycynie spersonalizowanej.
Słowa kluczowe
MINERVA, mikrobiota, jelita, mózg, Alzheimer, neurodegeneracja, dieta, neurony, bakterie, narząd na chipie
