Desarrollan un modelo de "microintestino" para estudiar la relación entre microbios intestinales y enfermedades humanas
En un gran avance para el estudio de la salud intestinal, científicos de la Universidad Nacional de Singapur han desarrollado una versión microscópica en 3D de los intestinos humanos condensados en un pequeño chip de aproximadamente la mitad del tamaño de una moneda de cinco centavos. Esta nueva plataforma de cultivo celular, conocida como Gut-Microbiome on a chip (GMoC), proporciona un modelo microintestinal in vitro realista que permite a los investigadores examinar las interacciones de los microbios intestinales y su impacto colectivo en la salud intestinal. El chip ofrece un método escalable, reproducible y eficiente para analizar las funciones de los microbios intestinales y su comunidad, lo que es de gran interés para la atención médica preventiva y la industria farmacéutica.
“El sistema GMoC representa un avance significativo en nuestra capacidad para investigar el efecto de la comunidad microbiana intestinal en la salud y las enfermedades intestinales”, afirma el profesor Lim Chwee Teck, director del Instituto de Innovación y Tecnología de la Salud (iHealthtech) de la Universidad Nacional de Singapur. El profesor Lim también trabaja en el Departamento de Ingeniería Biomédica de la Facultad de Diseño e Ingeniería. “Al establecer un modelo intestinal fisiológicamente relevante capaz de cultivar comunidades de microbios intestinales, podemos obtener conocimientos más profundos sobre el papel y los mecanismos complejos de estos microorganismos en el mantenimiento de la salud intestinal y la prevención de enfermedades”.
Comprender interacción entre microbios intestinales y la salud
Los intestinos contienen billones de bacterias, hongos y virus que desempeñan un papel crucial en el bienestar general. Estas comunidades de microorganismos, también conocidas colectivamente como flora intestinal o microbioma gastrointestinal, pueden ayudar o perjudicar.
Sin embargo, los mecanismos exactos por los cuales estos microbios intestinales previenen o causan enfermedades gastrointestinales siguen sin estar claros. Si bien los investigadores han identificado diferencias individuales en los microbiomas intestinales de las personas sanas y las que padecen enfermedades, la complejidad de las interacciones entre los billones de microorganismos que residen en los intestinos hace que sea difícil aislar los modos exactos de acción por los cuales estos microbios nos protegen o inducen enfermedades.
La innovadora plataforma tridimensional "microgut" desarrollada ofrece una representación más realista de la comunidad microbiana intestinal en comparación con los modelos existentes. Simula las condiciones biológicas (como el movimiento de los alimentos y los niveles de oxígeno) como en el intestino humano, imita las características estructurales y fisiológicas clave del revestimiento intestinal, permite cultivar diversas comunidades de microbios y está diseñada para una investigación sencilla y en tiempo real.
Imitando el intestino humano
El sistema GMoC proporciona un modelo realista in vitro (fuera del cuerpo) del intestino humano, con una versión 3D del epitelio intestinal que imita aspectos arquitectónicos y funcionales clave del tracto intestinal, como las vellosidades intestinales (pequeñas proyecciones en forma de dedos para la absorción de nutrientes), la cohabitación de microbios y células intestinales, y las condiciones dinámicas que simulan el movimiento de los alimentos, según recoge el estudio publicado.
Replicar la estructura de las vellosidades intestinales es importante porque la ubicación específica de diferentes especies microbianas dentro de un sustrato 3D influye en cómo se organizan y funcionan, y también tiene un impacto distintivo en la respuesta del intestino a diversos estímulos.
Además de las características estructurales, la plataforma de "microintestino" del equipo también demostró atributos clave de un epitelio intestinal funcional y fisiológicamente relevante. El "microintestino" también puede producir mucina, que actúa como una línea de defensa contra la invasión microbiana y contribuye al establecimiento de la interfaz entre el intestino y las bacterias.
Por tanto, el sistema GMoC es un modelo in vitro más completo porque replica, arquitectónicamente, las células que recubren el intestino humano y ofrece un modelo fisiológicamente más relevante en comparación con los sistemas in vitro estáticos existentes.
Visualización en tiempo real de interacciones intermicrobianas
Considerado como una herramienta de investigación versátil, el innovador sistema GMoC permite a los científicos estudiar las interacciones intermicrobianas y las interacciones de la comunidad microbiana intestinal con mayor resolución y en tiempo real.
Al estudiar cómo las diferentes especies bacterianas compiten por recursos limitados, como nutrientes y espacio físico para crecer en el intestino, y examinar cómo esta competencia ayuda a evitar que las bacterias dañinas crezcan excesivamente y alteren el equilibrio de la microbiota intestinal, los científicos pueden facilitar el desarrollo de intervenciones y estrategias específicas basadas en el microbioma para modular la microbiota intestinal.
El diseño único de GMoC garantiza la escalabilidad y al mismo tiempo permite realizar múltiples pruebas en un solo chip.
Planes futuros
El equipo de investigación se centra en seguir desarrollando el dispositivo, con el objetivo de aumentar su complejidad para replicar mejor los intestinos humanos. Esto incluye la incorporación de señales mecánicas complejas, la mejora de la complejidad celular y la creación de gradientes de oxígeno dentro del sistema GMoC.
En el ámbito biológico, el equipo también pretende utilizar el dispositivo para investigar más a fondo el ensamblaje, las interacciones y el comportamiento de diversas comunidades microbianas bajo diversos estímulos, incluidos los nutrientes y los antibióticos. Esto contribuirá a nuestra comprensión general de cómo estas interacciones afectan la salud intestinal. En términos de comercialización, el equipo busca llevar el dispositivo al mercado reduciendo los costos de fabricación y estandarizando el proceso de producción.
El chip GMoC supone un avance crucial en este campo al proporcionar una plataforma realista in vitro para la investigación de las funciones multifacéticas de los microorganismos intestinales de una manera altamente escalable. Esto ayudará a los científicos a comprender mejor los mecanismos de patogénesis de enfermedades inducidas por microbios, identificar nuevos objetivos terapéuticos y desarrollar tratamientos capaces de modular el microbioma intestinal para mejorar la salud y los resultados clínicos.
