Воспалительные заболевания кишечника затрагивают миллионы людей во всём мире, однако учёные до сих пор не понимают, что именно запускает хроническое воспаление и почему болезнь развивается у разных пациентов по-разному.
Лечение помогает контролировать симптомы, но изучать механизмы заболевания крайне сложно. Обычные клеточные культуры воспроизводят лишь отдельные его элементы, а эксперименты на животных не всегда точно отражают происходящее в кишечнике человека.
Теперь исследователи создали одну из самых полных моделей воспалительного заболевания кишечника на чипе. Для этого они использовали клетки пациентов с болезнью Крона и язвенным колитом — двумя основными формами заболевания.
Миниатюрное устройство под названием Colon Chip одновременно воспроизводит многие особенности человеческого кишечника. В нём можно объединять клетки кишечного эпителия, соединительной ткани и иммунной системы, а также имитировать механическое растяжение, которое происходит при нормальной работе кишечника.
Особое внимание учёных привлекли фибробласты — клетки соединительной ткани. Обычно считается, что они поддерживают структуру органов и помогают восстанавливать повреждённые ткани. Однако эксперимент показал, что при воспалительных заболеваниях кишечника они могут быть не просто пассивными участниками, а одним из двигателей болезни.
Исследователи поместили на один чип здоровые кишечные клетки и фибробласты, полученные от тех же пациентов с воспалительным заболеванием кишечника. Одного присутствия этих фибробластов оказалось достаточно, чтобы здоровая ткань начала вести себя как больная.
Защитный барьер кишечника становился более проницаемым, а воспалительная реакция усиливалась. Это указывает на то, что фибробласты могут играть в развитии заболевания гораздо более значительную роль, чем предполагалось ранее.
Чип также позволил проверить влияние механических нагрузок. Кишечник постоянно растягивается и сокращается, но в обычных лабораторных моделях этот процесс трудно воспроизвести. Когда исследователи добавили мягкие движения, напоминающие перистальтику, воспаление и реакция, связанная с образованием рубцовой ткани, стали ещё сильнее.
Отдельный эксперимент был посвящён гормонам, связанным с беременностью. При их воздействии на чипы, созданные из клеток пациенток, воспалительная реакция усиливалась, а количество коллагена увеличивалось. Подобные изменения связаны с фиброзом — разрастанием рубцовой ткани.
По словам авторов работы, это первая лабораторная модель, способная воспроизвести обострения, которые иногда возникают у беременных женщин с воспалительными заболеваниями кишечника.
Ранее учёные уже обнаруживали, что при хроническом воспалении фибробласты кишечника переходят в воспалительное состояние и участвуют в перестройке повреждённых тканей. Новая работа пошла дальше: она показала, что фибробласты пациентов сами по себе способны вызывать признаки заболевания в здоровой кишечной ткани.
Исследователи также изучили одно из наиболее серьёзных долгосрочных осложнений воспалительных заболеваний кишечника — колоректальный рак. Здоровые и больные модели подвергли воздействию канцерогена N-этил-N-нитрозомочевины.
Оба типа чипов отреагировали на вещество, однако в тканях с воспалительным заболеванием молекулярные изменения, связанные с раком, оказались значительно сильнее.
И здесь фибробласты снова сыграли ключевую роль. Здоровая кишечная ткань начинала проявлять ранние молекулярные признаки, связанные с развитием рака, только после того, как её выращивали вместе с фибробластами пациентов.
Главное преимущество новой платформы заключается в том, что она воспроизводит динамическую среду человеческого кишечника и одновременно позволяет изучать отдельные факторы болезни — как по отдельности, так и в сочетании.
Авторы считают, что созданная модель не просто имитирует симптомы и повреждения при воспалительных заболеваниях кишечника, но и помогает выявлять механизмы, которые управляют их развитием. Исследование опубликовано в журнале Nature Biomedical Engineering.
