O intestino delgado é o principal local onde digerimos e absorvemos nutrientes e minerais dos alimentos, e é também um local onde ocorrem muitas infecções intestinais e manifestam-se distúrbios digestivos e inflamatórios. Para entender melhor o intestino em seus estados normais e patológicos, pesquisadores criaram "organóides" isolando células-tronco intestinais de amostras de biópsias humanas. Esses organóides formam todos os tipos de células presentes no intestino humano, mas eles crescem como cistos rodeados por géis de matriz extracelular espessa com sua superfície celular "apical" (que normalmente é exposta ao conteúdo do intestino) voltada para um lúmen fechado. Isso impede o estudo de processos dinâmicos envolvendo a barreira intestinal, incluindo transporte de nutrientes e drogas, bem como suas interações com o microbioma. Além disso, os organóides não têm vasculatura e os movimentos mecânicos causados ​​pelo peristaltismo e fluxo sanguíneo normais, que são vitais para muitos processos no intestino, incluindo sua regeneração e controle do supercrescimento bacteriano.

Em um esforço para superar essas limitações, uma equipe do Wyss Institute for Biologicamente Inspired Engineering liderada por seu Diretor Fundador, Donald Ingber, M.D., Ph.D., tinha previamente projetado um dispositivo de cultura microfluídico "Organ-on-a-Chip" (Organ Chip) no qual as células de uma linha de células intestinais humanas originalmente isoladas de um tumor foram cultivadas em um dos dois canais paralelos, separados por uma membrana porosa revestida de matriz de células endoteliais derivadas de vasos sanguíneos humanos no canal adjacente. Embora este Gut Chip humano tenha recriado o epitélio das vilosidades do intestino normal e permitido novos insights sobre como o fluxo e o peristaltismo cíclico afetam a diferenciação e função intestinal, não poderia ser usado para estudar processos que dependiam de células intestinais normais de doadores individuais, que, por exemplo, é crucial para estudar as respostas específicas do paciente para a medicina personalizada.

Em um novo estudo, publicado em Relatórios Científicos , A equipe de Ingber agora remove esses obstáculos. "Agora podemos alavancar a abordagem organoide para isolar células-tronco intestinais de biópsias humanas, mas separamos os organóides e cultivamos as células específicas do paciente dentro de nossos fragmentos de órgãos, onde espontaneamente formam vilosidades intestinais orientadas para o lúmen do canal, e o epitélio em aposição próxima ao endotélio microvascular intestinal humano, "disse Ingber, que também é o professor Judah Folkman de Biologia Vascular na Harvard Medical School (HMS) e do Programa de Biologia Vascular no Hospital Infantil de Boston, bem como Professor de Bioengenharia na Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas John A. Paulson de Harvard (SEAS). "Esta abordagem apresenta um novo trampolim para a investigação de processos normais e relacionados a doenças de uma maneira altamente personalizada, incluindo o transporte de nutrientes, digestão, diferentes distúrbios intestinais, e interações intestinais com micróbios comensais, bem como patógenos. "

A equipe colaborou com o laboratório de David Breault no Hospital Infantil de Boston para construir uma etapa de cultura organoide em seu procedimento para isolar células-tronco intestinais normais e aumentar seu número de células. Os organóides resultantes podem ser armazenados para uso futuro ou imediatamente fragmentados e semeados nos canais "epiteliais" de múltiplos fragmentos de órgãos, onde foram posteriormente amadurecidos pelo fluxo de meio de cultura especializado e aplicação de estimulação mecânica aos canais para imitar movimentos fisiológicos semelhantes ao peristaltismo. A maturação do epitélio em um epitélio de vilosidade intestinal com longas extensões semelhantes a dedos foi auxiliada pela co-cultura de células endoteliais microvasculares intestinais humanas no lado oposto da membrana porosa revestida de matriz compartilhada no canal "vascular", onde reuniram um sangue substituto vaso com um lúmen oco através do qual o meio de alimentação fluía.

Assim, combinando duas das tecnologias mais avançadas no campo da engenharia de tecidos? cultura organoide e Organ Chips? permitiu a geração de tecidos intestinais e estruturas em nível de órgão revestidas por células específicas do doador humano com morfologia, composição, e função fortemente semelhante à da região duodenal do intestino delgado normal. "Como o chip primário do intestino delgado recapitula o microambiente físico que as células experimentam dentro do corpo humano, como fluxo de fluido e movimentos de alongamento semelhantes ao peristaltismo cíclico, exibe um perfil de expressão de gene em todo o genoma que se aproxima mais de sua contraparte in vivo do que das mesmas células intestinais cultivadas como organóides 3D, "disse a primeira autora Magdalena Kasendra, Ph.D., um ex-pós-doutorado na equipe de Ingber e agora cientista-chefe da Emulate, Inc. em Boston.

Junto com as células-tronco intestinais, a equipe identificou enterócitos diferenciados de digestão e absorção de nutrientes, células caliciformes produtoras de muco, células enteroendócrinas secretoras de hormônio, e células de Paneth reguladoras e de detecção de microbioma, e eles realizaram uma série de ensaios que confirmaram suas funções. Como o microambiente do intestino delgado pode ser mantido por semanas em pedaços de órgãos continuamente perfundidos, eles permitem estudos de curto e longo prazo, cujas observações podem ser relacionadas à saúde e fisiologia de doadores individuais.

A equipe de Ingber está aplicando a mesma abordagem agora a diferentes regiões do intestino - duodeno, jejuno, íleo, e cólon - cujas funções e vulnerabilidades à doença diferem umas das outras. Essa abordagem também está sendo usada para fazer engenharia reversa de ambientes intestinais ainda mais complexos, integrando outros tipos de células, como células imunológicas, células neuronais, e micróbios comensais no dispositivo. "No futuro, tais esforços podem nos permitir entender muito melhor as interações humano-microbioma, modelo de desnutrição e doenças inflamatórias do intestino, e realizar testes de drogas personalizados, "disse o co-primeiro autor Alessio Tovaglieri, um estudante de graduação no Departamento de Ciência e Tecnologia da Saúde da ETH Zurique, na Suíça, que realiza seu trabalho de tese na equipe de Ingber.