Простой биореактор делает «проверку кишечника» более практичной

Исследователи из Университета Райса и Медицинского колледжа Бейлора разработали способ имитации условий в кишечнике, создав механическую модель для наблюдения за ростом бактериальных инфекций в реальном времени.

В новом исследовании они представили лабораторный инструмент, который упрощает моделирование человеческого кишечника, делая поиск методов лечения таких заболеваний, как инфекционная диарея, более практичным.

Команда под руководством биоинженера Джейн Гранде-Аллен разработала прозрачные миллифлюидные перфузионные кассеты (mPCs). Эти устройства легко изготовить и использовать, они совместимы с обычным микроскопическим и биохимическим анализом.

Кассеты позволяют даже неспециалистам в биоинженерии проводить исследования, типичные для 96-луночных чашек Петри, но с дополнительным преимуществом — потоком жидкости над эпителиальными клетками, заражёнными бактериями. Кассеты также имеют микропорты для ввода и вывода, что позволяет не только обеспечивать поток жидкости, но и отбирать пробы среды.

Исследование опубликовано в Annals of Biomedical Engineering.

Воспроизведение сложной среды человеческого кишечника — сложная задача. Соавтор работы Энтони Марессо отметил, что подобные устройства часто неудобны для биологов. «Это устройство было разработано для простоты использования учёными с меньшими инженерными знаниями. Надеемся, это снизит барьеры между инженерами и медицинскими исследователями».

Гранде-Аллен пояснила, что создание микрофлюидной системы без протечек технически сложно. «В данном случае нам нужно было имитировать скорость потока жидкости в кишечнике, которая, особенно по сравнению с кровотоком, очень мала».

Формы для устройств, размером со стандартный 96-луночный планшет, были созданы на 3D-принтере и использованы для отливки прозрачных полимерных кассет. В mPCs были помещены человеческие кишечные энтероиды (HIEs) — культуры, содержащие основные типы клеток, характерные для кишечного эпителия. При протекании жидкости с бактериями на клетках формировалась биоплёнка, что не наблюдается в статических платформах.

Исследователи могут легко оценить, насколько хорошо бактерии прилипают к клеткам и заражают их, как визуально, так и путём отбора проб через порты. Статические планшеты позволяют бактериям чрезмерно разрастаться и ограничивают эксперименты несколькими часами, а медленный поток в mPCs позволяет проводить длительные наблюдения и получать более реалистичные результаты.

Тестирование устройства привело исследователей к первому прямому доказательству того, что агрегативные адгезивные фимбрии (липкие выросты), обнаруженные у большинства инфекционных энтероагрегативных Escherichia coli (EAEC), необходимы для образования бактериями биоплёнки.

«Мы предполагали медленно вымывать бактериальные токсины, чтобы предотвратить повреждение клеток. Это позволило большему количеству клеток выжить, чтобы мы могли наблюдать процесс заражения. Мы были совершенно удивлены, обнаружив, что это также кардинально изменило характер формирующейся плёнки», — сказала Гранде-Аллен.

Устройства также поддерживают жизнь культур HIE, пополняя запасы кислорода и питательных веществ в камере mPC, что позволяет лучше оценивать реалистичное взаимодействие между клетками и патогенами.

По словам Гранде-Аллен, mPCs облегчат исследования многих подобных взаимодействий: «Это позволит систематически изучать множество различных комбинаций, хороших и плохих, и то, как поток меняет динамику этой среды».