Investigadores diseñan un modelo de inflamación intestinal de un intestino humano en un chip

Un equipo del Instituto Wyss de Ingeniería Inspirada Biológicamente de la Universidad de Harvard, codirigido por el director fundador del Instituto Wyss, Donald Ingber, y miembro de Wyss James Collins, ha aprovechado la tecnología del instituto sobre órganos humanos en un chip (microchips revestidos de células humanas) para diseñar un modelo de inflamación intestinal humano y el crecimiento excesivo de bacterias en un intestino en un chip.

El avance, detallado en un artículo que se publica en 'Proceedings of the National Academy of Sciences', permite a los científicos analizar cómo los microbios intestinales normales y las bacterias patógenas contribuyen a la respuesta inmune e investigar los mecanismos de las enfermedades inflmatorias del intestino en un modelo controlado que recapitula la fisiología intestinal humana.

Se estima que un millón de estadounidenses sufren enfermedades inflamatorias del intestino (IBD, por sus siglas en inglés), como la colitis ulcerosa y la enfermedad de Crohn, que provoca síntomas de leves a graves, que en el mejor de los casos se pueden gestionar y en el peor, puede conducir a complicaciones que amenazan la vida.

Mientras que las respuestas inmunes anormales son en gran parte responsables de estas enfermedades, las cuestiones relativas al microbioma intestinal, las células epiteliales intestinales, componentes inmunes y los movimientos peristálticos rítmicos del intestino también pueden contribuir y exacerban los síntomas. Los científicos han tenido dificultades para desarrollar nuevas terapias para el tratamiento de las IBD debido a su incapacidad para replicar el microambiente del intestino humano en el laboratorio.

'Se cree que la inflamación crónica del intestino que es causada por interacciones anormales entre los microbios intestinales, células epiteliales intestinales y el sistema inmune, pero hasta ahora ha sido imposible determinar cómo cada uno de estos factores contribuye al desarrollo de la enfermedad del intestino', afirma Hyun Jung Kim, antiguo miembro de Wyss y primer autor del estudio, quien señala las limitaciones de los modelos convencionales in vitro y en animales de proliferación bacteriana e inflamación de los intestinos.

Sin embargo, la tecnología de intestino humano en un chip ofrece un microambiente ideal para imitar las condiciones naturales de los intestinos humanos a pequeña escala y controlable en una plataforma vitro. El intestino  humano en un chip fue inventado en el Instituto Wyss en 2012. Hecho de un claro polímero flexible del tamaño de una tarjeta de memoria de ordenador, el dispositivo con canales huecos de microfluidos simula la estructura física, el microambiente y las ondas de movimiento del peristaltismo y el flujo de fluido del intestino humano.

En este último avance revelado en 'PNAS', el equipo de Wyss mostró la capacidad única de las células intestinales del intestino humano en un chip para co-crecer con los microbios que viven en el microbioma intestinal normal durante un periodo prolongado de tiempo, hasta dos semanas, lo que podría permitir ideas innovadoras sobre cómo las comunidades microbianas que florecen dentro del tracto gastrointestinal humano contribuyen a la salud humana y la enfermedad.

'El descubrimiento del microbioma y su significado representa un enorme cambio de paradigma en nuestra comprensión de la salud humana: hay más microbios que viven en nosotros y con nosotros que nuestras propias células', afirma Ingber, que es también profesor de Biología Vascular en el Programa de Biología Vascular del Hospital de Niños de Boston y la Escuela de Medicina de Harvard y profesor de Bioingeniería en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de Harvard.

'Hasta ahora, el uso de métodos de cultivo tradicionales e incluso cultivos organoides más sofisticados han impedido que el microbioma sea estudiado más allá de uno o dos días. Con nuestro intestino humano en un chip, podemos no sólo cultivar el microbioma intestinal normal numerosas veces, sino que también podemos analizar las contribuciones de los agentes patógenos, las células inmunes y el endotelio linfático y vascular, además de servir de modelo de enfermedades específicas para comprender las respuestas fisiopatológicas complejas del tracto intestinal', resalta.

'Hay mucho que aprender acerca de las IBD, así como la forma en la que los antibióticos afectan al microbioma', dice Collins, quien también es profesor de Ingeniería Médica y Ciencia en el Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT, por sus siglas en inglés), en Estados Unidos.

'Esta tecnología permite estudiar de manera aislada y controlada la complejidad del microbioma y el papel que diferentes especies de microbios desempeñan en la salud y la enfermedad. Por tanto, es una plataforma muy valiosa para el descubrimiento y esfuerzos de traducción clínicos', añade.

Ya el avance ha revelado nuevos descubrimientos en el funcionamiento interno del tracto intestinal humano y sus respuestas inmunes. Los investigadores encontraron cuatro pequeñas proteínas que estimulan la inflamación (llamadas citoquinas) que trabajan de manera conjunta para desencadenar respuestas inmunes inflamatorias que dañan e irritan el intestino.

Este descubrimiento podría abrir una potencial nueva vía terapéutica para el tratamiento de las IBD mediante el 'bloqueo' de estas proteínas citoquinas simultáneamente.

El equipo Wyss también estudió el papel que el flujo de fluido y el movimiento peristáltico del intestino desempeña en el mantenimiento de un equilibrio dinámico del microbioma intestinal, encontrando que la ausencia de movimiento peristáltico puede conducir a la proliferación desenfrenada de bacterias completamente independiente de los cambios en el flujo de fluido.

Esto podría ayudar a explicar por qué algunos pacientes con IBD y otras enfermedades padecen sobrecrecimiento bacteriano, como los pacientes que desarrollan íleo, que es un síndrome que puede ocurrir después de una cirugía intestinal cuando hay un retraso prolongado en la capacidad del cuerpo para reanudar movimientos peristálticos normales.