Supernatant from primary human gut microbiota fermentation as a modulator of intestinal barrier in in vitro models

يعتبر الأمعاء البشرية نظاماً بيئياً صاخباً، موطناً لتريليونات من الكائنات المجهرية التي تعمل في حوار مستمر مع خلايا الجسم نفسها. هذه الميكروبات، التي تُعرف مجتمعة باسم "الميكروبيوتا"، لا تكتفي بمجرد هضم الطعام؛ بل تنتج "حساءً" معقداً من النواتج الكيميائية الثانوية التي تساعد في تنظيم الجهاز المناعي والحفاظ على صحة جدار الأمعاء. يعمل هذا الجدار كحارس بوابة حاسم، حاجز محكم يمنع دخول المواد الضارة إلى مجرى الدم بينما يسمح بمرور العناصر الغذائية. وعندما يصبح هذا الحاجز "مسرباً" أو ملتهباً، يمكن أن يؤدي ذلك إلى سلسلة من المشكلات الصحية، من الاضطرابات الهضمية إلى الالتهابات الجهازية. إن فهم كيفية تأثير المواد الكيميائية التي تنتجها بكتيريا الأمعاء على هذا الحاجز أمر ضروري لتطوير طرق جديدة لعلاج أمراض الأمعاء، لكن دراسة هذا التفاعل بشكل مباشر أمر صعب للغاية. فالبكتيريا والخلايا البشرية لديهما احتياجات متضاربة؛ إذ تتطلب البكتيريا غالباً بيئة خالية من الأكسجين، وهو ما قد يقتل الخلايا البشرية، بينما تحتاج الخلايا إلى الأكسجين الذي لا تستطيع البكتيريا تحمله.

ولحل هذه المشكلة، لجأ الباحثون إلى حيلة ذكية: تركوا البكتيريا تخمر الطعام في أنبوب اختبار أولاً، ثم أخذوا السائل الذي أنتجته واختبروه على الخلايا البشرية. يسمح هذا النهج للعلماء بدراسة تأثير "حساء" الميكروبات دون مواجهة الكابوس التقني المتمثل في إبقاء كل من البكتيريا الحية والخلايا البشرية الحية في نفس الطبق. استخدم فريق من العلماء مؤخراً هذه الطريقة لمعرفة كيف يؤثر سائل مشتق من تخمير بكتيريا الأمعاء البشرية على قوة حاجز الأمعاء. اختبروا هذا السائل على خلايا أمعاء بشرية نُميت بطريقتين مختلفتين: إحداهما في وعاء قياسي ساكن، والأخرى في جهاز متطور يتدفق فيه السائل ليحاكي حركة الأمعاء. كان هدفهم هو معرفة ما إذا كان سائل البكتيريا سيؤدي إلى تلف الحاجز، أو ما إذا كان بإمكانه إصلاح الحاجز التالف، وأي طريقة اختبار تعطي نتائج أكثر واقعية.

بدأ الباحثون بجمع عينات براز من متطوعين أصحاء وخلطوها بسائل غني بالمغذيات في غرفة خالية من الأكسجين. تركوا هذا الخليط لمدّة يوم، مما سمح لبكتيريا الأمعاء بالتغذي وإنتاج نواتجها الكيميائية الثانوية. بعد ذلك، قاموا بتصفية البكتيريا، محتفظين فقط بالسائل العلوي (supernatant)، وهو سائل غني بالأحماض الدهنية قصيرة السلسلة والمستقلبات الأخرى. ثم طبقوا هذا السائل على خلايا أمعاء بشرية نُميت معاً لتشكيل حاجز واقعي. كانت هذه الخلايا مزيجاً من نوعين: نوع يحاكي الخلايا الممتصة للمواد المغذية في الأمعاء، ونوع آخر ينتج المخاط، مما يخلق طبقة واقية تشبه تلك الموجودة داخل جسم الإنسان.

اختبر الفريق أولاً السائل على خلايا نُميت في بيئة ساكنة، حيث استقر السائل فوق الخلايا لمدة أربع ساعات. كما اختبروه على خلايا نُميت في جهاز ميكروفلويديك (microfluidic device)، وهو شريحة صغيرة تحتوي على قنوات دقيقة تضخ السائل فوق الخلايا لمحاكاة التدفق المستمر في الأمعاء. في كلتا الحالتين، قاسوا مدى تماسك الخلايا مع بعضها البعض. ووجدوا أن تعريض الخلايا السليمة لسائل البكتيريا لم يلحق بها أي ضرر؛ فقد ظل الحاجز قوياً وسليماً. ومع ذلك، عند مقارنة طريقتي الاختبار، ظهر فرق واضح؛ إذ سمحت الخلايا في الشريحة المتدفقة بمرور كمية أكبر من صبغة الاختبار عبرها مقارنة بالخلايا في الوعاء الساكن. يشير هذا إلى أن البيئة المتدفقة تخلق حاجزاً أكثر نفاذية، أو "تسريباً"، بطريقة قد تكون أقرب إلى كيفية سلوك الأمعاء البشرية فعلياً، في حين أن الوعاء الساكن قد يخلق سدداً محكماً بشكل غير واقعي.

ولضمان صحة تجاربهم لفترات أطول، توجب على الفريق حل مشكلة عملية: السائل المستخدم لتخفيف عينة البكتيريا لم يكن مغذياً بما يكفي لإبقاء الخلايا حية لمدة يوم كامل. فعندما تركوا الخلايا في محلول ملحي بسيط لمدة أربع وعشرين ساعة، ضعفت الخلايا وانهار الحاجز. واكتشفوا أن إضافة عامل منظم (buffering agent) محدد إلى المحلول الملحي حافظ على صحة الخلايا وقوة الحاجز طوال مدة التجربة. كان هذا الاكتشاف حاسماً، لأنه يعني أنه يمكنهم الآن اختبار سائل البكتيريا لفترات أطول دون أن تتأثر النتائج بمجرد جوع الخلايا.

كان الجزء الأكثر أهمية في الدراسة هو اختبار ما إذا كان سائل التخمر البكتيري يمكنه إصلاح الحاجز التالف. قام الباحثون أولاً بإضعاف حاجز الأمعاء عمداً عن طريق تعريض الخلايا لجزيء يحفز الالتهاب، مما تسبب في جعل الحاجز "مسرباً" وانخفاض المقاومة الكهربائية للأنسجة بنسبة تقارب النصف. خلق هذا نموذجاً لأمعاء مريضة وملتهبة. ثم عالجوا هذه الخلايا المتضررة بسائل التخمر البكتيري. كانت النتيجة مذهلة: ساعد العلاج في استعادة الحاجز. فقد عادت الخلايا لتتماسك مرة أخرى، وعادت كمية الصبغة التي يمكن أن تتسرب من خلالها إلى المستويات المماثلة للخلايا السليمة وغير المتضررة. حدث هذا التعافي حتى في ظل وجود الالتهاب، مما يشير إلى أن المواد الكيميائية التي تنتجها بكتيريا الأمعاء لديها قدرة طبيعية على المساعدة في إصلاح جدار الأمعاء.

كما نظرت الدراسة في التعليمات الجينية داخل الخلايا لمعرفة كيفية استجابتها. ووجدوا أن الالتهاب قد قلل من مستويات بروتين معين يساعد في ربط الخلايا ببعضها، وهو علامة شائعة على ضعف الحاجز. وبينما ساعد العلاج بسائل البكتيريا في استعادة الوظيفة الفيزيائية للحاجز، كانت الاستجابة الجينية معقدة ولم تظهر عكسًا بسيطًا وفوريًا لجميع التغييرات. يشير هذا إلى أنه بينما يعد السائل فعالاً في استعادة الوظيفة الفيزيائية للحاجز، فإن الآلية الخلوية الأساسية تستجيب بطرق دقيقة تتطلب مزيداً من الدراسة.

في النهاية، يوفر هذا العمل مخططاً موثوقاً لاختبار كيفية تأثير بكتيريا الأمعاء على صحة الإنسان دون الحاجة لزراعة بكتيريا حية بجانب الخلايا البشرية. لقد أثبت الباحثون أن سائل التخمر آمن للخلايا السليمة ويمكنه بنشاط المساعدة في إصلاح الحاجز المتضرر. كما سلطوا الضوء على أن الطريقة المستخدمة لاختبار هذه التأثيرات مهمة للغاية؛ حيث قدم نموذج شريحة الأمعاء المتدفقة صورة مختلفة، والأرجح أنها أكثر واقعية، لكيفية سلوك الأمعاء مقارنة بالأطباق الساكنة التقليدية. ومن خلال اختيار الأدوات والظروف المناسبة بعناية، يمكن للعلماء الآن فحص المنتجات المفيدة المشتقة من ميكروبيوم الأمعاء بشكل أفضل، مما يمهد الطريق لعلاجات جديدة تسخر حلفاء الجسم الميكروبيين لشفاء الأمعاء.