Des millions d’enfants dans les pays à revenu faible ou intermédiaire souffrent de dysfonctionnement entérique environnemental (DEE), une maladie inflammatoire chronique de l’intestin qui est la deuxième cause de décès chez les enfants de moins de cinq ans. L’EED est une affection dévastatrice associée à la malnutrition, à un retard de croissance et à un développement cognitif médiocre, qui a un impact permanent sur la qualité de vie des patients. De plus, les vaccins oraux sont moins efficaces chez les enfants atteints d’EED, les laissant vulnérables à des maladies autrement évitables. Alors que certains cas d’EED peuvent être traités en améliorant simplement le régime alimentaire d’un patient, une meilleure nutrition n’aide pas tous les enfants. Un manque de nutriments adéquats et l’exposition à de l’eau et des aliments contaminés contribuent à l’EED, mais le mécanisme sous-jacent de la maladie reste inconnu.
Aujourd’hui, une équipe de chercheurs de l’Institut Wyss de l’Université de Harvard vient de créer un in vitro modèle humain de l’EED dans un dispositif de micro-ingénierie Intestine Chip, offrant une fenêtre sur l’interaction complexe entre la malnutrition et les facteurs génétiques à l’origine de la maladie. Leurs puces EED récapitulent plusieurs caractéristiques de l’EED trouvées dans les biopsies de patients humains, y compris l’inflammation, le dysfonctionnement de la barrière intestinale, l’absorption réduite des nutriments et l’atrophie des villosités (petites projections ressemblant à des cheveux) sur les cellules intestinales.
Ils ont également constaté que le fait de priver des puces intestinales saines de deux nutriments essentiels dont les niveaux sont souvent faibles chez les enfants atteints de DEE – le niacinamide (une vitamine) et le tryptophane (un acide aminé essentiel) – provoquait des changements morphologiques, fonctionnels et génétiques similaires à ceux trouvés dans le DEE. patients, suggérant que leur modèle pourrait être utilisé pour identifier et tester les effets de traitements potentiels.
“Fonctionnellement, il y a quelque chose de très mauvais avec le système digestif de ces enfants et leur capacité à absorber les nutriments et à combattre les infections, que vous ne pouvez pas guérir simplement en leur donnant les nutriments qui manquent à leur alimentation. Notre modèle EED nous a permis de déchiffrer ce qui est arrivé à l’intestin, à la fois physiquement et génétiquement, qui affecte de manière si dramatique sa fonction normale chez les patients atteints d’EED », a déclaré le co-premier auteur. Amir BéinRD, Ph.D., ancien chercheur postdoctoral principal à l’Institut Wyss, qui est maintenant vice-président de la biologie chez Quris Technologies.
La recherche est publiée aujourd’hui dans Nature Génie biomédical.
Modélisation d’une maladie complexe sur une puce
Le projet EED Chip est né de conversations entre le directeur fondateur de l’Institut Wyss Donald Ingber, MD, Ph.D. et Bill et Melinda Fondation Gatesqui a un intérêt établi à soutenir la recherche pour comprendre et traiter les maladies entériques chez les enfants. Reconnaissant qu’il n’y avait pas eu in vitro études de l’EED pour étudier ses mécanismes moléculaires, une équipe Wyss de plus de 20 personnes s’est attelée à la création d’un modèle d’EED utilisant son Puce d’organe humain technologie développée dans le laboratoire d’Ingber.
Ils ont commencé avec l’Institut Wyss Puces d’intestin, développés pour la première fois en 2012, qui consistent en des canaux microfluidiques creux parallèles traversant un matériau polymère flexible. Un canal est tapissé de cellules épithéliales intestinales humaines, tandis que l’autre canal est tapissé de cellules de vaisseaux sanguins humains. Un milieu imitant le sang circule à travers la puce du vaisseau sanguin pour maintenir les cellules en vie, et une membrane perméable entre les deux canaux permet aux nutriments et aux signaux chimiques de se déplacer entre les deux tissus. Pour reproduire l’EED dans ces puces, les chercheurs ont tapissé le canal épithélial des puces intestinales avec des cellules dérivées de biopsies chirurgicales de patients atteints d’EED, que la Fondation Gates a aidé à se procurer auprès de Université Aga Khan Au Pakistan. Ils ont également créé des puces saines garnies de cellules épithéliales intestinales d’enfants en bonne santé à des fins de comparaison.
“Parce que l’EED est si répandu dans les régions du monde où la malnutrition et le mauvais assainissement sont de gros problèmes, il n’était pas clair quel rôle, le cas échéant, la génétique ou l’épigénétique joue dans la maladie. Nous savions qu’il y avait un groupe de patients qui ne répondaient tout simplement pas à la nutrition et nous pensions que les cellules de leurs intestins pourraient réagir différemment à la malnutrition par rapport aux cellules des intestins d’enfants en bonne santé », a déclaré le co-premier auteur. Cicely Fadel, MD, Ph.D., néonatologiste titulaire au Beth Israel Deaconess Medical Center, instructeur en pédiatrie à la Harvard Medical School (HMS) et ancien boursier clinique travaillant avec Ingber au Wyss Institute. Elle et ses co-auteurs ont cherché à résoudre ce mystère en étudiant les modèles d’expression génique des cellules dans leurs puces EED par rapport aux puces saines.
L’équipe a découvert que 287 gènes dans les puces EED présentaient différents niveaux d’expression. Parmi eux se trouvaient des gènes associés à l’inflammation, aux lésions intestinales et aux jonctions entre les cellules. Lorsqu’ils ont comparé le profil génétique des puces EED avec une signature génétique clinique de patients atteints d’EED dont la maladie n’a pas été résolue par une intervention nutritionnelle, ils ont trouvé un certain chevauchement entre les gènes de leurs puces et les gènes des échantillons.
Ensuite, pour imiter la malnutrition que connaissent de nombreux patients EED, ils ont changé le milieu qui fournissait les nutriments à leurs chips en supprimant le niacinamide et le tryptophane, qui sont tous deux essentiels à une croissance saine chez les enfants et au maintien de la santé chez les adultes.
L’effet était saisissant.
Lorsqu’ils ont été cultivés avec une carence en nutriments, les Healthy Chips affichaient 690 gènes avec des modèles d’expression différents par rapport à leurs homologues qui recevaient une nutrition complète, et dans les EED Chips, un énorme 969 gènes avaient des modèles d’expression différents. Six des dix principaux gènes qui ont été régulés positivement dans la signature clinique du gène EED à partir de biopsies de patients ont également été régulés positivement dans les puces EED cultivées avec une carence en nutriments. Plusieurs de ces gènes sont connus pour être impliqués dans les réponses inflammatoires.
« L’accord entre notre signature EED Chip déficiente en nutriments et la signature trouvée chez les patients humains était vraiment excitant. Nous sommes non seulement capables de recréer la forme et la fonction intestinale de l’EED, mais nous le faisons également en utilisant les mêmes voies génétiques qui fonctionnent chez les patients humains. Cela ouvre la possibilité que nous puissions tester des médicaments et d’autres traitements sur la puce EED et obtenir une réponse qui pourrait être similaire à ce que vous verriez chez les patients », a déclaré Fadel.
Taquiner la nature contre la culture
Les scientifiques ont ensuite analysé les puces sous plusieurs angles pour déterminer exactement quelles différences entre les puces EED et les puces saines étaient causées par une carence en nutriments uniquement par rapport aux différences inhérentes à l’expression des gènes.
Certains effets des carences nutritionnelles semblaient affecter également les chips Healthy et EED. Les deux types de puces affichaient une régulation à la hausse de certaines voies génétiques associées à la production de chimiokines inflammatoires et aux réponses à la privation d’acides aminés, réduisaient considérablement la croissance des structures ressemblant à des villosités normalement présentes à leur surface et produisaient une couche de mucus beaucoup plus fine. Les deux types de puces sont devenues «fuyantes» car les jonctions entre leurs cellules ont été perturbées et ont permis aux fluides de s’infiltrer et d’afficher des changements dans l’absorption des acides gras.
Mais les puces EED ont montré des différences uniques dans leurs réponses aux carences nutritionnelles, qui correspondaient toutes aux traits observés dans les biopsies EED humaines. Les intestins des patients EED ont réduit le développement de leurs surfaces internes (appelées bordure en brosse) et altéré la croissance cellulaire, et la régulation à la baisse des voies génétiques associées à ces deux processus a été observée dans les puces EED. Les cellules de Paneth, qui aident à réguler le microbiome dans l’intestin, sont connues pour être épuisées chez les patients EED, et les marqueurs cellulaires de Paneth ont été réduits dans les puces EED. Les transporteurs d’acides aminés ont également été régulés à la baisse.
L’équipe a découvert que les puces EED produisaient des niveaux inférieurs de cytokines inflammatoires par rapport aux puces saines cultivées dans les mêmes conditions. Mais une fois que les deux puces ont été exposées à une carence nutritionnelle, les puces EED ont produit beaucoup plus de cytokines que les puces saines. Les tissus enflammés nécessitent plus de calories pour se maintenir et se renouveler, et les patients EED souffrant d’inflammation chronique de l’intestin peuvent ne pas être en mesure de consommer suffisamment de calories pour maintenir leurs tissus et soutenir leur croissance, ce qui contribue au retard de croissance. Cette inflammation peut également réduire la capacité de l’intestin à traiter les vaccins oraux.
Même lorsque la gamme complète de nutriments était disponible, les puces EED ont montré une capacité réduite à absorber ces nutriments dans le canal épithélial et à les transférer dans le canal vasculaire par rapport aux puces saines, suggérant en outre que la fonction du tissu EED était intrinsèquement compromise.
“L’une des principales contributions de cette étude aux efforts de recherche et de traitement de l’EED est que nous avons pu attribuer diverses réponses cellulaires spécifiquement à une carence nutritionnelle, à des modifications génétiques des cellules intestinales ou à une combinaison des deux – des distinctions qui n’ont pas été possibles à faire dans des études cliniques ou des modèles animaux », a déclaré Bein. « La signature du gène EED en elle-même n’était pas suffisante pour répliquer entièrement l’EED dans nos puces – l’exposition supplémentaire à la malnutrition était nécessaire. Cela implique que la carence nutritionnelle elle-même perturbe le traitement des nutriments, ce qui crée une boucle de rétroaction qui aggrave encore l’absorption nutritionnelle chez les patients EED.
L’équipe continue d’étudier l’EED avec son modèle et prévoit d’intégrer cellules immunitaires pour étudier plus en profondeur l’inflammation et son interaction avec la nutrition, ainsi que son impact sur la réponse de l’organisme aux vaccins. Ils travaillent également sur l’ajout d’un microbiome de patients atteints d’EED aux puces pour étudier comment les modifications du microbiome peuvent affecter la maladie.
«Chaque réunion régulière que notre équipe a eue avec la Fondation Gates à propos de ce projet au fil des ans a commencé par un diaporama de vrais enfants souffrant de l’EED. Ces enfants sont nos clients – les patients guident tout ce que nous faisons à l’Institut Wyss et nous motivent à travailler dur, souvent pendant des années, pour créer des solutions à des problèmes difficiles qui peuvent considérablement améliorer leur qualité de vie. Nous n’aurons pas de repos tant que nous n’aurons pas trouvé cette solution », a déclaré Ingber, qui est également le Judah Folkman Professeur de biologie vasculaire au HMS et au Boston Children’s Hospital (BCH), ainsi qu’au Hansjörg Wyss Professeur d’ingénierie bioinspirée à la John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) de Harvard.
Référence: Bein A, Fadel CW, Swenor B, et al. La carence nutritionnelle dans un intestin sur puce récapitule les caractéristiques des blessures associées au dysfonctionnement entérique environnemental. Nat Biomed Eng. 2022:1-12. est ce que je: 10.1038/s41551-022-00899-x
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