Un equipo de investigadores del MIT ha encontrado la manera de cultivar en el laboratorio bacterias relacionadas con la enfermedad de Crohn.
Estas bacterias son notoriamente difíciles de cultivar, pero el equipo ha desarrollado un dispositivo especializado que reproduce el revestimiento del colon.
Esperan que su trabajo contribuya a ampliar el conocimiento científico sobre las causas de la enfermedad de Crohn y sus desencadenantes biológicos.
Las bacterias relacionadas con la enfermedad de Crohn son difíciles de cultivar en el laboratorio, pero los ingenieros del MIT han encontrado la manera de hacerlo.
En el intestino humano viven varios miles de cepas de bacterias. Algunas están asociadas con enfermedades, mientras que otras tienen efectos beneficiosos para la salud humana. Determinar la función precisa de cada una puede ser difícil, porque muchas no se pueden cultivar en estudios de laboratorio con tejido humano.
Esta dificultad es especialmente marcada en las especies que no pueden vivir en entornos ricos en oxígeno. Sin embargo, ingenieros biológicos y mecánicos del MIT han diseñado un dispositivo especializado en el que pueden cultivar esas bacterias intolerantes al oxígeno en tejido que reproduce el revestimiento del colon, lo que les permite sobrevivir hasta cuatro días.
«Nos pareció muy importante aportar a la comunidad una herramienta que pudiera usarse en este caso extremo», afirma Linda Griffith, profesora de Innovación Docente de la Facultad de Ingeniería del Departamento de Ingeniería Biológica del MIT. «Demostramos que se pueden cultivar estos organismos tan exigentes y estudiar los efectos que tienen en el colon humano».
Con este sistema, los investigadores demostraron que podían cultivar una cepa de bacterias llamada Faecalibacterium prausnitzii, que vive en el intestino humano y protege contra la inflamación. También demostraron que estas bacterias, cuya presencia suele disminuir en pacientes con enfermedad de Crohn, parecen ejercer muchos de sus efectos protectores mediante la liberación de un ácido graso llamado butirato.
Griffith y David Trumper, profesor de ingeniería mecánica del MIT, son los autores principales del estudio, que se publica hoy en la revista Med. Los investigadores posdoctorales del MIT Jianbo Zhang y Yu-Ja Huang son los autores principales del artículo.
Sensibilidad al oxígeno
Griffith afirma que el complejo entorno del microbioma intestinal humano es difícil de modelar con animales como los ratones, en parte porque estos comen una dieta muy distinta de la de los humanos.
«Hemos aprendido muchísimo de los ratones y otros modelos animales, pero existen muchas diferencias, especialmente en lo que respecta al microbioma intestinal», afirma.
La mayoría de las bacterias que viven en el intestino humano son anaerobias, es decir, no necesitan oxígeno para sobrevivir. Algunas toleran niveles bajos de oxígeno, mientras que otras, como F. prausnitzii, no sobreviven a la exposición al oxígeno, lo que dificulta su estudio en el laboratorio. Algunos investigadores han diseñado dispositivos en los que pueden cultivar células del colon humano junto con bacterias que toleran niveles bajos de oxígeno, pero no funcionan bien con F. prausnitzii ni con otros microbios muy intolerantes al oxígeno.
Para resolver este problema, el equipo del MIT diseñó un dispositivo que permite controlar con precisión los niveles de oxígeno en cada parte del sistema. El dispositivo contiene un canal recubierto de células de la barrera mucosa del colon humano. Debajo de estas células se bombean nutrientes para mantenerlas vivas. Esta capa inferior es rica en oxígeno, pero la concentración disminuye hacia la parte superior de la capa de células mucosas, de forma similar a lo que ocurre en el interior del colon humano.
Al igual que en el colon humano, las células de la barrera del canal secretan una capa densa de mucosidad. El equipo del MIT demostró que F. prausnitzii puede formar agrupaciones de células en la capa externa de esta mucosidad y sobrevivir allí hasta cuatro días, en un entorno que se mantiene sin oxígeno gracias al flujo de líquido que lo atraviesa. Este líquido también contiene nutrientes para los microbios.
Con este sistema, los investigadores pudieron demostrar que F. prausnitzii influye en las vías celulares implicadas en la inflamación. Observaron que las bacterias producen un ácido graso de cadena corta llamado butirato, que, según se ha demostrado anteriormente, reduce la inflamación. Tras aumentar los niveles de butirato, las células mucosas mostraron una menor actividad de una vía llamada NF kappa B. Esta reducción calma la inflamación.
«En general, la actividad de esta vía se ha reducido, algo muy parecido a lo que se ha observado en seres humanos», afirma Zhang. «Parece que las bacterias desensibilizan las células de los mamíferos para que no reaccionen de forma exagerada ante los peligros del entorno exterior; así, las bacterias calman la respuesta inflamatoria».
Los pacientes con enfermedad de Crohn suelen tener niveles reducidos de F. prausnitzii, y se plantea la hipótesis de que la falta de estas bacterias contribuye a la inflamación excesiva observada en esos pacientes.
Cuando los investigadores añadieron butirato al sistema sin bacterias, no se produjeron todos los efectos que observaron cuando las bacterias estaban presentes. Esto sugiere que algunos efectos de las bacterias podrían deberse a otros mecanismos, que los investigadores esperan estudiar más a fondo.
Microbios y enfermedad
Los investigadores también tienen previsto utilizar su sistema para estudiar qué ocurre cuando añaden otras especies de bacterias que, según se cree, desempeñan un papel en la enfermedad de Crohn, con el fin de explorar más a fondo los efectos de cada especie.
También están preparando un estudio junto con Alessio Fasano, jefe de la división de gastroenterología y nutrición pediátricas del Hospital General de Massachusetts, para cultivar tejido mucoso de pacientes con enfermedad celíaca y otros trastornos gastrointestinales. Este tejido podría utilizarse para estudiar la inflamación inducida por microbios en células con distintos antecedentes genéticos.
«Esperamos obtener nuevos datos que muestren cómo interactúan los microbios y la inflamación con el trasfondo genético del huésped, y averiguar si algunas personas tienen una predisposición genética a que los microbios interfieran en la barrera mucosa más que en otras», afirma Griffith.
También espera utilizar el dispositivo para estudiar otros tipos de barreras mucosas, incluidas las del aparato reproductor femenino, como el cuello uterino y el endometrio.
La investigación fue financiada por los Institutos Nacionales de Salud de EE. UU., el Programa SHINE de Boehringer Ingelheim y el Instituto Nacional de Ciencias de la Salud Ambiental.
