Кишечник-на-чипе, способный сокращаться, помог найти причины воспаления и фиброза

Для воспалительных заболеваний кишечника (болезни Крона и язвенного колита) характерны выработка провоспалительных цитокинов, инфильтрация иммунных клеток в ткани кишечника, нарушение его барьерной функции, истончение слизистой и фиброз. Лечение часто направлено на иммунные клетки, а не на сам кишечник; его эффективность сильно различается у пациентов. Однако взаимодействие между эпителием и подлежащей стромой также может способствовать воспалению и прогрессированию рака. Есть необходимость в получении дополнительной информации о взаимодействии эпителия и стромы. Для этого исследователи из США получили орган-на-чипе из клеток человека.

Авторы изолировали эпителиальные клетки и фибробласты из стромы одной и той же области кишечника у здоровых людей и пациентов с воспалительными заболеваниями кишечника. Из эпителиальных клеток и фибробластов получили кишечник-на-чипе, поместив их на разные стороны гибкой пористой мембраны на микрофлюидном устройстве. Эпителий образовывал структуры, напоминающие крипты. Через день запускали поток жидкости. Клетки здоровых людей вырабатывали большое количество слизи; на чипах пациентов слизи было меньше. У них же эпителиальный слой был тоньше.

Ранее было показано, что часть стромальных фибробластов пациентов с воспалительными заболеваниями кишечника экспрессирует рецептор онкостатина M (OSMR) и подопланин, играющие важные роли в воспалении, фиброзе и раке. Это же подтвердили в новом исследовании. Клетки пациентов с воспалительными заболеваниями кишечника вырабатывали больше провоспалительных цитокинов (таких как IL6, IL8 и MCP-1 (CCL2)).

При воспалительных заболеваниях кишечника в клетках менялась экспрессия генов. Так, более активно экспрессировались белки внеклеточного матрикса, клеточной адгезии и ангиогенеза, слабее — связанные с метаболизмом.

Авторы симулировали перистальтику для органа-на-чипе с помощью циклических механических деформаций. На всех чипах вырабатывалось больше слизи, но у моделирующих воспалительные заболевания кишечника это происходило менее эффективно. Более того, их фибробласты в таких условиях накапливали значительно больше фибриллярного коллагена. Из-за этого ткани теряли эластичность. Перистальтика стимулировала экспрессию большинства генов метаболизма, но только для клеток от здоровых людей.

Деформации повышали проницаемость кишечника-на-чипе, сильнее — для полученных из клеток пациентов. То же происходило с экспрессией генов, связанных с воспалением. В опытах на смешанных культурах было показано, что именно фибробласты являются дррайверами развития большей части симптомов.

У женщин симптомы воспалительных заболеваний кишечника более выражены во время менструации, а при беременности эти заболевания повышают риск выкидыша. На чипы воздействовали эстрогеном и ацетатом медроксипрогестерона (для симуляции менструального цикла) или смесью гормонов, связанных с беременностью. Под действием первых увеличивался фиброз, а последних — отложение фибриллярного коллагена в строме у чипов с клетками пациентов, но не контролей. Под действием гормонов беременности «здоровые» чипы вырабатывали меньше провоспалительных цитокинов и хемокинов, а чипы пациентов — больше.

Воспалительные заболевания кишечника повышают риск развития колоректального рака. На чипах химически стимулировали канцерогенез. Во всех случаях снижалась высота структур, напоминающих крипты, и повышалась проницаемость барьера. Клетки пациентов с воспалительными заболеваниями кишечника активнее вырабатывали провоспалительные цитокины, сильнее снижалась экспрессия E-кадгерина, β-катенин перемещался в ядро. В клетках пациентов было больше мутаций и хромосомных дупликаций.

По словам авторов, это первая человеческая модель воспалительных заболеваний кишечника, на которой можно изучать влияние гормонов беременности и процессы, происходящие при инициации рака.

После месяца в космосе у «сердец на чипе» развилась аритмия