Искусственный кишечник для изучения загадочного микробиома
Микробиом — это триллионы бактерий, живущих в нашем теле и на нём. Он уникален для каждого человека, как отпечаток пальца, и всё больше влияет на здоровье. Например, существует связь между мозгом и бактериями в кишечнике — ось «мозг–кишечник». Она может влиять на болезнь Паркинсона, депрессию и синдром раздражённого кишечника. Однако исследования этой оси тормозятся из-за отсутствия адекватной и тестируемой модели кишечника.
Существующие платформы не могут точно и дёшево имитировать человеческий кишечник для масштабных исследований. Команда из MIT Lincoln Laboratory при поддержке Technology Office создаёт новый искусственный кишечник.
Проблема моделирования
Главный вопрос с технической стороны: как воспроизвести толстую кишку? Бактерии в ней занимают множество экологических ниш. Сообщество из 100 триллионов микробов имеет специфические и часто противоречивые потребности. Некоторые бактерии гибнут в присутствии кислорода, другим он необходим. Кишечник также содержит твёрдую и мягкую слизь, которая позволяет расти разным типам бактерий. Все эти условия нужно воссоздать на одной платформе для поддержания и тестирования образцов микробиома.
Новое устройство
До сих пор никому не удавалось культивировать и поддерживать образец микробиома. Новая платформа позволит добавлять токсины и терапевтические средства, чтобы наблюдать, как они меняют культуру со временем.
Команда разработала многоматериальную платформу из проницаемого силиконового каучука и других пластиков (например, полистирола). Эти материалы дёшевы и позволяют быстро создавать прототипы. Два компонента платформы имитируют ключевые градиенты — кислорода и слизи.
- Кислородный градиент: Воздух диффундирует через пластик, а синие порты позволяют менять локальную концентрацию кислорода в разных позициях соседних микрокамер.
- Градиент слизи: Слизь подаётся в устройство снизу.
Оба компонента используют точную геометрию для воссоздания специфических условий кишечника.
Практическое применение
Система позволит решать реальные задачи: изучать ось «мозг–кишечник», развивать устойчивость к патогенам, противостоять биологической угрозе.
В этом году команда сотрудничает с Университетом Алабамы в Бирмингеме, Северо-Восточным университетом и Калифорнийским университетом в Сан-Франциско. Они проведут первые тесты образцов микробиома для изучения связи с болезнью Паркинсона. Искусственный кишечник будет использоваться для культивирования образцов от людей с болезнью Паркинсона и без неё. Цель — выяснить, как изменения в микробиоме под воздействием определённых токсинов могут вызывать повреждение нервов, подобное паркинсонизму.
Дальнейшее развитие
Лаборатория продолжит развивать проект:
- Создание трубчатой кишки в стиле оригами с сердечником и оболочкой, которая сворачивается при сборке, имитируя толстую кишку и окружающую васкуляризированную ткань.
- Разработка моделирующего программного обеспечения для прогнозирования изменений в микробных сообществах с течением времени.