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

L'intestino umano è un ecosistema frenetico, dimora di trilioni di organismi microscopici che lavorano in una conversazione costante con le cellule stesse del corpo. Questi microbi, collettivamente noti come microbiota, non si limitano a digerire il cibo; producono una complessa zuppa di sottoprodotti chimici che aiutano a regolare il sistema immunitario e a mantenere la salute della parete intestinale. Questa parete funge da guardiano critico, una barriera stretta che tiene fuori le sostanze nocive dal flusso sanguigno consentendo al contempo il passaggio dei nutrienti. Quando questa barriera diventa permeabile o infiammata, può scatenare una cascata di problemi di salute, dai disturbi digestivi all'infiammazione sistemica. Comprendere come le sostanze chimiche prodotte dai batteri intestinali influenzino questa barriera è essenziale per sviluppare nuovi modi per trattare le malattie intestinali, ma studiare direttamente questa interazione è incredibilmente difficile. I batteri e le cellule umane hanno esigenze contrastanti: i batteri spesso richiedono un ambiente privo di ossigeno che ucciderebbe le cellule umane, mentre le cellule hanno bisogno di ossigeno che i batteri non possono tollerare.

Per risolvere questo problema, i ricercatori si sono rivolti a un astuto aggiro: lasciano che i batteri fermentino il cibo in una provetta prima, poi prendono il liquido che producono e lo testano sulle cellule umane. Questo approccio permette agli scienziati di studiare gli effetti della "zuppa" microbica senza l'incubo tecnico di mantenere vivi sia i batteri che le cellule umane nello stesso contenitore. Un team di scienziati ha recentemente utilizzato questo metodo per vedere come un liquido derivato dalla fermentazione dei batteri intestinali umani influenzi la forza della barriera intestinale. Hanno testato questo liquido su cellule intestinali umane coltivate in due modi diversi: una in un contenitore standard, statico, e un'altra in un dispositivo più avanzato, a flusso, che imita il movimento dell'intestino. Il loro obiettivo era vedere se il liquido batterico danneggiasse la barriera, se potesse ripararne una danneggiata e quale metodo di test fornisse i risultati più realistici.

I ricercatori hanno iniziato raccogliendo campioni di feci da volontari sani e mescolandoli con un liquido ricco di nutrienti in una camera priva di ossigeno. Hanno lasciato che questo miscuglio riposasse per un giorno, permettendo ai batteri intestinali di nutrirsi e produrre i loro sottoprodotti chimici. Successivamente, hanno filtrato i batteri, mantenendo solo il liquido surnatante, che è ricco di acidi grassi a catena corta e altri metaboliti. Hanno poi applicato questo liquido a cellule intestinali umane cresciute insieme per formare una barriera realistica. Queste cellule erano un mix di due tipi: uno che imita le cellule assorbenti di nutrienti dell'intestino e un altro che produce muco, creando uno strato protettivo simile a quello esistente all'interno del corpo umano.

Il team ha prima testato il liquido su cellule cresciute in un ambiente statico, dove il liquido rimaneva fermo sopra le cellule per quattro ore. Hanno anche testato il liquido su cellule cresciute in un dispositivo microfluidico, un piccolo chip con minuscoli canali che pompavano il liquido sopra le cellule per simulare il costante flusso dell'intestino. In entrambi i casi, hanno misurato quanto bene le cellule si tenessero insieme. Hanno scoperto che l'esposizione delle cellule sane al liquido batterico non le danneggiava; la barriera rimaneva forte e intatta. Tuttavia, confrontando i due metodi di test, è emmersa una chiara differenza. Le cellule nel chip a flusso permettevano a un colorante di test di passare attraverso di esse più delle cellule nel contenitore statico. Ciò suggerisce che l'ambiente in movimento crea una barriera che è più permeabile, o "più porosa", in un modo che potrebbe essere più vicino a come si comporta realmente l'intestino umano, mentre il contenitore statico potrebbe creare un sigillo artificialmente stretto.

Per garantire che i loro esperimenti fossero validi su periodi più lunghi, i ricercatori hanno dovuto risolvere un problema pratico: il liquido utilizzato per diluire il campione batterico non era abbastanza nutriente da mantenere in vita le cellule per un intero giorno. Quando hanno lasciato le cellule in una semplice soluzione salina per ventiquattro ore, le cellule sono diventate deboli e la barriera è crollata. Hanno scoperto che l'aggiunta di un agente tampone specifico alla soluzione salina manteneva le cellule sane e la barriera forte per la durata dell'esperimento. Questa scoperta è stata cruciale, poiché significava che potevano ora testare il liquido batterico per periodi più lunghi senza che i risultati fossero distorti dal semplice indebolimento delle cellule per mancanza di nutrimento.

La parte più significativa dello studio è stata testare se questo liquido batterico potesse riparare una barriera danneggiata. I ricercatori hanno prima indebolito intenzionalmente la barriera intestinale esponendo le cellule a una molecola che innesca l'infiammazione, causando il diventare la barriera permeabile e facendo scendere la resistenza elettrica del tessuto di quasi la metà. Questo ha creato un modello di un intestino malato e infiammato. Hanno poi trattato queste cellule danneggiate con il liquido di fermentazione batterica. Il risultato è stato sorprendente: il trattamento ha aiutato la barriera a recuperare. Le cellule si sono ristrette nuovamente e la quantità di colorante che poteva filtrare è tornata a livelli simili a quelli delle cellule sane e non danneggiate. Questo recupero è avvenuto nonostante le cellule fossero ancora in uno stato di infiammazione, suggerendo che le sostanze chimiche prodotte dai batteri intestinali abbiano una capacità naturale di aiutare a riparare la parete intestinale.

Lo studio ha anche esaminato le istruzioni genetiche all'interno delle cellule per vedere come stavano rispondendo. Hanno scoperto che l'infiammazione aveva ridotto i livelli di una specifica proteina che aiuta a tenere insieme le cellule, un segno comune di una barriera compromessa. Sebbene il trattamento con il liquido batterico abbia aiutato a ripristinare la barità fisica, la risposta genetica è stata complessa e non ha mostrato un semplice e immediato inversione di tutti i cambiamenti. Ciò indica che, mentre il liquido è efficace nel ripristinare la funzione fisica della barriera, il macchinario cellulare sottostante risponde in modi sfumati che richiedono ulteriori studi.

In definitiva, questo lavoro fornisce un modello affidabile per testare come i batteri intestinali influenzino la salute umana senza dover far crescere batteri vivi accanto alle cellule umane. I ricercatori hanno dimostrato che il liquido di fermentazione è sicuro per le cellule sane e può aiutare attivamente a riparare una barriera danneggiata. Hanno anche evidenziato che il metodo utilizzato per testare questi effetti è molto importante; il modello del chip intestinale a flusso ha fornito un quadro diverso, e probabilmente più realistico, di come si comporta l'intestino rispetto ai tradizionali piatti statici. Scegliendo con cura gli strumenti e le condizioni giuste, gli scienziati possono ora sottoporre a screening prodotti benefici derivati dal microbioma intestinale, aprendo la strada a nuove terapie che sfruttano gli alleati microbici del corpo per guarire l'intestino.