الجمع بين المواد العضوية البشرية وتكنولوجيا الأعضاء على الرقاقة لنمذجة الوظائف الخاصة بالمنطقة المعوية
Summary
يتم دمج المواد العضوية المعوية المشتقة من الخزعة وتقنيات الأعضاء على الرقائق في منصة فسيولوجية دقيقة لتلخيص وظائف الأمعاء الخاصة بالمنطقة.
Abstract
الغشاء المخاطي المعوي هو حاجز فيزيائي وكيميائي حيوي معقد يؤدي عددا لا يحصى من الوظائف المهمة. إنه يتيح نقل وامتصاص واستقلاب العناصر الغذائية و xenobiotics مع تسهيل العلاقة التكافلية مع الميكروبات وتقييد غزو الكائنات الحية الدقيقة. التفاعل الوظيفي بين أنواع الخلايا المختلفة وبيئتها الفيزيائية والكيميائية الحيوية أمر حيوي لإنشاء والحفاظ على توازن الأنسجة المعوية. إن نمذجة هذه التفاعلات المعقدة وفسيولوجيا الأمعاء المتكاملة في المختبر هو هدف هائل مع إمكانية تحويل الطريقة التي يتم بها اكتشاف وتطوير الأهداف العلاجية الجديدة والأدوية المرشحة.
تم مؤخرا الجمع بين تقنيات العضوية و Organ-on-a-Chip لتوليد رقائق الأمعاء ذات الصلة بالإنسان المناسبة لدراسة الجوانب الوظيفية لفسيولوجيا الأمعاء والفيزيولوجيا المرضية في المختبر. يتم زرع المواد العضوية المشتقة من خزعات الأمعاء الدقيقة (الاثني عشر) والأمعاء الغليظة في المقصورة العلوية لشريحة العضو ثم تتوسع بنجاح كطبقات أحادية مع الحفاظ على السمات الخلوية والجزيئية والوظيفية المميزة لكل منطقة معوية. يتم دمج الخلايا البطانية الوعائية الدقيقة الخاصة بأنسجة الأمعاء البشرية في المقصورة السفلية لشريحة العضو لإعادة إنشاء الواجهة الظهارية البطانية. تسهل هذه المنصة الجديدة التعرض المضيء للمغذيات والأدوية والكائنات الحية الدقيقة ، مما يتيح دراسات النقل المعوي والنفاذية والتفاعلات بين الميكروبات المضيفة.
هنا ، يتم توفير بروتوكول مفصل لإنشاء رقائق الأمعاء التي تمثل الاثني عشر البشري (رقاقة الاثني عشر) والقولون (رقاقة القولون) ، وثقافتها اللاحقة تحت التدفق المستمر والتشوهات الشبيهة بالتمعج. نحن نوضح طرقا لتقييم استقلاب الدواء وتحريض CYP3A4 في رقاقة الاثني عشر باستخدام محفزات وركائز نموذجية. وأخيرا، نحن نقدم إجراء خطوة بخطوة للنمذجة في المختبر لاضطراب حاجز الإنترفيرون غاما (IFNγ) بوساطة (متلازمة الأمعاء المتسربة) في رقاقة القولون، بما في ذلك طرق لتقييم تغيير نفاذية الخلايا شبه الخلوية، والتغيرات في إفراز السيتوكين، والتنميط النسخي للخلايا داخل الشريحة.
Introduction
الأمعاء البشرية هي عضو معقد ومتعدد المهام قادر على تجديد الذات. وهي مقسمة إلى الأمعاء الدقيقة والغليظة. تتمثل الوظيفة الأساسية للأمعاء الدقيقة في زيادة هضم الطعام القادم من المعدة ، وامتصاص جميع العناصر الغذائية ، وتمرير البقايا إلى الأمعاء الغليظة ، التي تستعيد الماء والشوارد. تنقسم الأمعاء الدقيقة أيضا إلى مناطق متعددة متميزة تشريحيا: الاثني عشر ، الصائم ، والدقاق ، كل منها يتم تكييفه لأداء وظائف محددة. على سبيل المثال ، يساعد الاثني عشر على تحطيم الكيموس (محتويات المعدة) لتمكين الامتصاص السليم للمغذيات التي تحتوي على البروتينات والكربوهيدرات والفيتامينات والمعادن في الصائم. هذا الجزء القريب من الأمعاء الدقيقة هو أيضا الموقع الرئيسي لامتصاص الأدوية المعوية والتمثيل الغذائي ، ويتميز بالتعبير العالي عن إنزيمات استقلاب الأدوية (على سبيل المثال ، CYP3A4) مقارنة بتعبيرها في الدقاق والقولون1. بالإضافة إلى دورها الرئيسي في هضم وامتصاص العناصر الغذائية ، تعد الأمعاء أيضا حاجزا فعالا ضد المحتويات المضيئة الضارة المحتملة ، مثل الكائنات الحية الدقيقة المسببة للأمراض ، والأيضات الميكروبية ، والمستضدات الغذائية ، والسموم 2,3. يشار إلى أن القولون البشري يسكنه عدد كبير من الكائنات الحية الدقيقة، وهو ما يتجاوز بكثير مجموع الخلايا في جسم الإنسان، والتي توفر العديد من الفوائد للتغذية والتمثيل الغذائي والمناعة. لذلك ، فإن الحفاظ على سلامة الحاجز المخاطي الذي تشكله الخلايا الظهارية المعوية أمر بالغ الأهمية للسماح بالعلاقة التكافلية بين ميكروبات الأمعاء والخلايا المضيفة عن طريق فصلها جسديا لتجنب تنشيط الخلايا المناعية غير الضرورية2. بالإضافة إلى ذلك ، يلعب موت الخلايا المعوية المبرمج دورا أساسيا كآلية للحماية الذاتية تمنع الخلايا المصابة من الاستمرار أو التكاثر – وبالتالي نشر مسببات الأمراض المحتملة3 – في حين أن التجديد الذاتي المستمر للظهارة المعوية كل أربعة إلى سبعة أيام يعوض عن فقدان الخلايا مما يضمن سلامة الحاجز وتوازن الأنسجة. قد يؤدي ضعف وظائف الأمعاء الموصوفة ، بما في ذلك امتصاص العناصر الغذائية ، أو سلامة الحاجز ، أو عدم التوازن في موت الخلايا المعوية والتجديد الذاتي ، إلى تطور مجموعة من اضطرابات الجهاز الهضمي ، بما في ذلك سوء التغذية ومرض التهاب الأمعاء (IBD) 2,3.
في السابق ، تم استخدام النماذج الحيوانية وخطوط الخلايا المعوية المشتقة من السرطان المحولة لدراسة الوظائف الفسيولوجية والفسيولوجية المرضية للأنسجة المعوية البشرية. ومع ذلك، فإن المخاوف البارزة بشكل متزايد بشأن قابلية ترجمة البحوث الحيوانية إلى البشر، الناجمة عن وجود تفاوتات كبيرة بين النوعين، سلطت الضوء على الحاجة إلى طرق بديلة ذات صلة بالإنسان4. تشمل خطوط الخلايا المعوية الشائعة الاستخدام في المختبر خلايا T84 و Caco-2 و HT29. في حين أنها تحاكي جوانب معينة من وظيفة الحاجز المعوي ونقل الغشاء ، إلا أنها تتميز بتعبير متغير عن إنزيمات استقلاب الأدوية5 ، والمستقبلات السطحية ، والناقلات4. بالإضافة إلى ذلك ، فإنها تفتقر إلى خصوصية الجزء المعوي وتفشل في تلخيص تعقيد الظهارة المعوية ، حيث يحتوي كل نموذج على واحد فقط من أصل خمسة أنواع من الخلايا الظهارية الموجودة في الأمعاء6.
في الآونة الأخيرة ، تم تقديم مزارع عضوية معوية بشرية تم إنشاؤها من خزعات جديدة من الأمعاء الدقيقة والقولون 7,8 أو الخلايا الجذعية المستحثة متعددة القدرات (iPSC)9 كنماذج تجريبية بديلة مع إمكانية استكمال التجارب على الحيوانات وتقليلها وربما استبدالها في المستقبل. في حين يمكن الحصول على iPSCs بطريقة غير جراحية ، فإن إنشاء المواد العضوية من iPSCs يتطلب استخدام بروتوكولات معقدة وطويلة (مع عدة خطوات تجريبية) ويولد ثقافات تشبه أنسجة الجنين البشري. في المقابل ، فإن المواد العضوية المشتقة من الخزعة قابلة للتطوير بشكل كبير ، حيث يمكنها الاستفادة من قدرة التجديد المتأصلة للأنسجة المعوية ويمكن تمريرها ونشرها في المختبر إلى أجل غير مسمى. الأهم من ذلك ، أن المواد العضوية المشتقة من الخزعة تحافظ على المرض والخصائص الخاصة بالمنطقة المعوية للأنسجة الأولية التي تم تطويرها منها وتحاكي التنوع الخلوي للظهارة المعوية. يمكن استخدام المواد العضوية كصور رمزية خاصة بالمريض في المختبر لكشف البيولوجيا والتسبب في مختلف اضطرابات الجهاز الهضمي وتحسين إدارتها العلاجية. على الرغم من أن المواد العضوية المعوية قد حققت درجة رائعة من الوظائف الفسيولوجية ، إلا أنها لا تزال تفشل في إعادة إنتاج تعقيد الأعضاء الأصلية بسبب افتقارها إلى المكونات اللحمية الحرجة – بما في ذلك الأوعية الدموية والأنسجة الضامة والأعصاب الطرفية والخلايا المناعية – بالإضافة إلى التحفيز الميكانيكي. من المعروف أن المعلمات الميكانيكية ، مثل التدفق وإجهاد القص والتمدد والضغط ، تؤثر على تكوين الأنسجة والتوازن في الجسم الحي ، وقد ثبت سابقا أنها تحسن نضج الخلايا في المختبر10،11،12،13. عيب إضافي مهم للأنظمة العضوية هو عدم إمكانية الوصول إلى التجويف ، وبالتالي إلى الجانب القمي من الظهارة. وهذا يمثل تحديا للتحقيق في الآليات المختلفة المرتبطة بالتعبير المستقطب لناقلات الأيونات والأدوية، والتفاعلات بين الميكروبيوم والمضيف، واختبار السمية الصيدلانية. وأخيرا، تعاني الثقافات العضوية من تباين كبير في الحجم والمورفولوجيا والوظيفة، بسبب الطبيعة العشوائية لعملية التنظيم الذاتي في المختبر وخيارات مصير الخلية. لذلك ، لتحقيق الإمكانات الكاملة للعضويات المعوية في نمذجة الأمراض ، وفحص الأدوية ، والطب التجديدي ، من الضروري استكشاف استراتيجيات جديدة تقلل من التباين في التطور العضوي ، وتحسين الوصول إلى المقصورة المضيئة ، ودمج التفاعلات المفقودة بين الخلايا الخلوية.
أدخلت تقنية Organ-on-a-Chip العديد من التقنيات لدمج القوى الميكانيكية وتدفق السوائل إلى مزارع الخلايا المعوية في المختبر. ومع ذلك ، نظرا لأن معظم دراسات إثبات المفهوم الأولية قد استخدمت خطوط الخلايا المشتقة من السرطان التي لم تظهر تنوعا خلويا كافيا ، فقد تم التشكيك في أهمية هذه الأنظمة. في الآونة الأخيرة ، قمنا بدمج المواد العضوية المعوية بشكل تآزري وتكنولوجيا الأعضاء على رقاقة لدمج أفضل ميزات كل نهج في نظام واحد في المختبر 14،15،16. تلخص رقاقة الأمعاء الناتجة البنية متعددة الخلايا للظهارة المعوية ، ووجود واجهة الأنسجة الظهارية البطانية ، والقوى الميكانيكية لتدفق السوائل وامتدادها ، مما يتيح محاكاة وظائف على مستوى الأعضاء في المختبر. بالإضافة إلى ذلك ، فإن استخدام المواد العضوية المشتقة من الأنسجة الأولية (والتي يمكن أخذ عينات منها من مناطق مختلفة من الأمعاء البشرية) كمادة أولية يزيد من تنوع هذا النموذج ، حيث يمكن إنشاء رقائق تمثل الاثني عشر البشري والصائم والدقاق والقولون باتباع إجراءات مماثلة للبذر والثقافة. الأهم من ذلك ، تمكن رقائق الأمعاء من التقييم في الوقت الفعلي لما يلي: سلامة الحاجز المعوي. نشاط حدود الفرشاة وإنزيمات استقلاب الدواء ؛ إنتاج الموسينات. إفراز السيتوكينات. وتفاعل الخلايا المعوية مع الكائنات الحية الدقيقة المسببة للأمراض والمشتركة ، كما هو موضح في التقارير المنشورة سابقا. ومن الجدير بالذكر أنه عندما تم إنشاء رقائق الأمعاء باستخدام المواد العضوية الناتجة عن أنسجة الأفراد المختلفة ، التقطت هذه النماذج التباين المتوقع بين المانحين في الاستجابات الوظيفية لمختلف الأدوية والعلاجات. وإجمالا، فإن دمج المواد العضوية مع تقنية Organ-on-a-Chip يفتح الباب أمام نماذج أكثر تقدما وشخصية وذات صلة بالجسم الحي يمكنها تحسين الأهمية الفسيولوجية ودقة النتائج في المختبر بالإضافة إلى استقرائها للبشر. هنا ، يتم تقديم بروتوكول مفصل لإنشاء رقاقة الأمعاء وتطبيقها في دراسات الوظائف الفسيولوجية للقطاعين المعويين: الاثني عشر والقولون. أولا ، يتم وصف طرق تقييم نشاط إنزيم استقلاب الدواء CYP3A4 في رقاقة الاثني عشر ، وكذلك تحريضه بواسطة مركبات نموذجية مثل ريفامبيسين وفيتامين D3. ثانيا ، يتم تحديد الخطوات المطلوبة لنمذجة “الأمعاء المتسربة” في رقاقة القولون في البروتوكول ، مع تعطيل الحاجز الظهاري باستخدام السيتوكينات المميزة المتورطة في التسبب في مرض الأمعاء الالتهابي. باختصار ، يتم نشر المواد العضوية المشتقة من الخزعات البشرية في المختبر ، وتخضع للهضم الأنزيمي ، ويتم إدخالها في القناة العليا للرقاقة. في وجود التروية المستمرة مع وسائل الإعلام الغنية بعامل النمو ، فإنها تتطور إلى طبقة أحادية ظهارية متقاربة مع بنية 3D وسطح خلية قمي يسهل الوصول إليه. يتم زرع الجزء السفلي من المقصورة “الوعائية” بخلايا بطانية الأوعية الدموية الدقيقة المعزولة من الأمعاء الدقيقة أو الغليظة. يتم فصل الظهارة والبطانة بواسطة غشاء قابل للتمدد مسامي ، مما يسهل تفاعلات paracrine بين الأنسجة ، وعندما يتعرض لتشوهات دورية ، يحاكي حركات تشبه التمعج في الأمعاء البشرية. يتم الحفاظ على الزراعة المشتركة في ظل ظروف التدفق الديناميكي الناتجة عن التروية المضيئة والوعائية مع وسائط زراعة الخلايا المناسبة. وأخيرا، نصف أنواعا عديدة من المقايسات وتحليلات نقاط النهاية التي يمكن إجراؤها مباشرة على الرقاقة أو من النفايات السائلة المستنبتة من زراعة الخلايا.
Protocol
Representative Results
Discussion
إن الجمع بين تقنية العضو على الرقاقة والمواد العضوية المعوية يبشر بالخير لنمذجة دقيقة لفسيولوجيا الأمعاء البشرية والفيزيولوجيا المرضية. هنا ، نقدم بروتوكولا بسيطا وقويا خطوة بخطوة (موضح في الشكل 1) لإنشاء شريحة الأمعاء التي تحتوي على ظهارة معوية صغيرة أو القولون مشتقة من …
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
نشكر البروفيسور مارك دونويتز على توفير المواد العضوية المشتقة من خزعة الأمعاء وبريت كلير على تصميم الرسوم التوضيحية العلمية لوحدة الشريحة والمحمولة والثقافة. تم إنشاء جميع الرسوم التوضيحية العلمية المتبقية باستخدام BioRender.
Materials
| small intestine Human Intestinal Microvascular Endothelial Cells | AlphaBioRegen | ALHE15 | 0.5 cells M/ml ; cryopreserved |
| colon Human Intestinal Microvascular Endothelial Cells | AlphaBioRegen | ALHE16 | 0.5 cells M/ml ; cryopreserved |
| Biopsy-derived Human Duodenal Organoids | John Hopkin's University | – | The organoids were provided by Professor Mark Donowitz (Institutional Review Board Number: NA_00038329). |
| Biopsy-derived Human Colonic Organoids | John Hopkin's University | – | The organoids were provided by Professor Mark Donowitz (Institutional Review Board Number: NA_00038329). |
| Zoë CM-1™ Culture Module | Emulate Inc. | – | Culture module |
| Orb-HM1™ Hub Module | Emulate Inc. | – | 5% CO2, vacuum stretch, and power supply |
| Chip-S1™ Stretchable Chip | Emulate Inc. | – | Organ-Chip |
| Pod™ Portable Modules | Emulate Inc. | – | Portable module |
| UV Light Box | Emulate Inc. | – | – |
| Chip Cradle | Emulate Inc. | – | 1 per square culture dish |
| Steriflip®-HV Filters | EMD Millipore | SE1M003M00 | 0.45 μm PVDF filter |
| Square Cell Culture Dish (120 x 120 mm) | VWR | 82051-068 | – |
| Handheld vacuum aspirator | Corning | 4930 | - |
| Aspirating pipettes | Corning / Falcon | 357558 | 2 mL, polystyrene, individually wrapped |
| Aspirating tips | - | Sterile (autoclaved) | |
| Serological pipettes | - | 2 mL, 5 mL, 10 mL, and 25 mL low endotoxin, sterile | |
| Pipette | P20, P200, P1000 and standard multichannel | ||
| Pipette tips | P20, P200, and P1000. | ||
| Conical tubes (Protein LoBind® Tubes) | Eppendorf | 0030122216; 0030122240 | 15 mL, 50 mL tubes |
| Eppendorf Tubes® lo-bind | Eppendorf | 022431081 | 1.5 mL tubes |
| 96 wells black walled plate | – | – | for epithelial permeability analysis |
| Microscope (with camera) | – | – | For bright-field imaging |
| Water bath (or beads) | – | – | Set to 37°C |
| Vacuum set-up | - | – | Minimum pressure: -70 kPa |
| Cell scrapers | Biotium | 220033 | |
| T75 flasks | BD Falcon | 353136 | Cell culture flask |
| Emulate Reagent-1 (ER-1) | Emulate Inc. | – | Chip coating solution |
| Emulate Reagent-2 (ER-2) | Emulate Inc. | – | Chip coating solution |
| Dulbecco’s PBS (DPBS) | Corning | 21-031-CV | 1X |
| Cell Culture Grade Water | Corning | MT25055CV | |
| Trypan blue | Sigma | 93595 | For cell counting |
| TryplE Express | ThermoFisher Scientific | 12604013 | Organoids dissociation and endothelium cells detachment solution |
| Advanced DMEM/F12 | ThermoFisher Scientific | 12634028 | Medium |
| IntestiCult™ Organoid Growth Medium (Human) | Stem Cell technologies | 06010 | Organoid Growth Medium |
| Endothelial Cell Growth Medium MV 2 | Promocell | C-22121 | Endothelial medium |
| Fetal bovine serum (FBS) | Sigma | F4135 | Serum |
| Primocin™ | InvivoGen | ANT-PM-1 | antimicrobial agent |
| Attachment Factor™ | Cell Systems | 4Z0-210 | coating solution for flask |
| Matrigel – Growth Factor Reduced | Corning | 356231 | Solubilized basement membrane matrix |
| Collagen IV | Sigma | C5533 | ECM component |
| Fibronectin | Corning | 356008 | ECM component |
| Y-27632 | Stem Cell technologies | 72304 | organoid media supplement |
| CHIR99021 | Reprocell | 04-0004-10 | organoid media supplement |
| Cell Recovery Solution | Corning | 354253 | Basement mebrane matrix dissociationsolution |
| Bovine Serum Albumin (BSA) | Sigma | A9576 | 30%, Sterile |
| Cell Culture Grade Water | Corning | MT25055CV | Sterile, Water |
| DMSO | Sigma | D2650 | solvent |
| 3KDa Dextran Cascade Blue | Invitrogen | D7132 | 10 mg powder |
| Rifampicin (RIF) | Sigma | Cat# R3501 | CYP inducer |
| Testosterone hydrate | Sigma | T1500 | CYP substrate |
| 1,25-dihyroxy Vitamin D3 (VD3) | Sigma | Cat# D1530 | CYP inducer |
| Acetonitrile with 0.1% (v/v) Formic acid | Sigma | 159002 | LCMS stop solution |
| IFNγ | Peprotech | 300-02 | |
| 4% Paraformaldehyde (PFA) | EMS | 157-4 | Fixative |
| Triton-X 100 | Sigma | T8787 | |
| Normal Donkey Serum (NDS) | Sigma | 566460 | |
| anti-Occludin | ThermoFisher Scientific | 33-1500 | tight junctions marker |
| anti-Claudin 4 | ThermoFisher Scientific | 36-4800 | tight junctions marker |
| anti-E-cadherin | Abcam | ab1416 | epithelial adherens junctions marker |
| anti-VE-cadherin | Abcam | ab33168 | endothelial adherent junctions marker |
| anti- Zonula Occludens 1 (ZO-1) | Thermo Fischer | 339194 | tight junctions marker |
| DAPI | ThermoFisher Scientific | 62248 | nuclear stain |
| 2-mercaptoethanol | Sigma | M6250 | |
| PureLink RNA Mini Kit | Invitrogen | 12183020 | RNA lysis, isolation and purification kit |
| SuperScript™ IV VILO™ Master Mix | Invitrogen | 11756050 | reverse transcriptase kit |
| TaqMan™ Fast Advanced Master Mix | Applied Biosystems | 4444557 | qPCR reagent |
| QuantStudio™ 5 Real-Time PCR System | Applied Biosystems | A28573 | Real-time PCR cycler |
| 18S primer | ThermoFisher Scientific | Hs99999901_s1 | Eukaryotic 18S rRNA |
| CYP3A4 primer | ThermoFisher Scientific | Hs00604506_m1 | Cytochrome family 3 subfamily A member 4 |
| Pierce™ Coomassie Plus (Bradford) Assay Kit | ThermoFisher Scientific | 23236 | Protein quantification kit |
| MSD Tris lysis buffer | Meso Scale Diagnostics | R60TX-3 | Protein lysis buffer |
| Cleaved/Total Caspase-3 Whole Cell Lysate Kit | Meso Scale Diagnostics | K15140D | Caspase 3 detection kit |
| V-PLEX Vascular Injury Panel 2 Human Kit | Meso Scale Diagnostics | K15198D | |
| V-PLEX Human Proinflammatory Panel II (4-Plex) | Meso Scale Diagnostics | K15053D | |
| Zeiss LSM 880 | Zeiss | – | Confocal microscope |
| Zeiss LD plan-Neofluar 20x/0.40 Korr M27 | Zeiss | – | 20X long-distance objective lenses |
| Zeiss AXIOvert.A1 | Zeiss | – | Brightfield microscope |
| Zeiss LD A-Plan 10X/0.25 Ph1 | Zeiss | – | 10X objective lenses |
References
- Fritz, A., et al. Expression of clinically relevant drug-metabolizing enzymes along the human intestine and their correlation to drug transporters and nuclear receptors: An intra-subject analysis. Basic and Clinical Pharmacology and Toxicology. 124 (3), 245-255 (2019).
- Okumura, R., Takeda, K. Maintenance of intestinal homeostasis by mucosal barriers. Inflammation and Regeneration. 38 (1), 1-8 (2018).
- Delgado, M. E., Grabinger, T., Brunner, T. Cell death at the intestinal epithelial front line. FEBS Journal. 283 (14), 2701-2719 (2016).
- Mestas, J., Hughes, C. C. W. Of mice and not men: Differences between mouse and human immunology. The Journal of Immunology. 172 (5), 2731-2738 (2004).
- Sun, H., Chow, E. C. Y., Liu, S., Du, Y., Pang, K. S. The Caco-2 cell monolayer: Usefulness and limitations. Expert Opinion on Drug Metabolism and Toxicology. 4 (4), 395-411 (2008).
- Yu, H., et al. The contributions of human mini-intestines to the study of intestinal physiology and pathophysiology. Annual Review of Physiology. 79, 291-312 (2017).
- Sato, T., et al. Single Lgr5 stem cells build crypt-villus structures in vitro without a mesenchymal niche. Nature. 459 (7244), 262-265 (2009).
- Sato, T., et al. Long-term expansion of epithelial organoids from human colon, adenoma, adenocarcinoma, and Barrett’s epithelium. Gastroenterology. 141 (5), 1762-1772 (2011).
- Spence, J. R., et al. Directed differentiation of human pluripotent stem cells into intestinal tissue in vitro. Nature. 470 (7332), 105-110 (2011).
- Durel, J. F., Nerurkar, N. L. Mechanobiology of vertebrate gut morphogenesis. Current Opinion in Genetics and Development. 63, 45-52 (2020).
- Gayer, C. P., Basson, M. D. The effects of mechanical forces on intestinal physiology and pathology. Cellular Signalling. 21 (8), 1237-1244 (2009).
- Xu, Y., et al. Mechanical stimulation activates Piezo1 to promote mucin2 expression in goblet cells. Journal of Gastroenterology and Hepatology (Australia). 36 (11), 3127-3139 (2021).
- Navabi, N., McGuckin, M. A., Lindén, S. K. Gastrointestinal cell lines form polarized epithelia with an adherent mucus layer when cultured in semi-wet interfaces with mechanical stimulation. PLoS One. 8 (7), 68761 (2013).
- Kasendra, M., et al. Development of a primary human Small Intestine-on-a-Chip using biopsy-derived organoids. Scientific Reports. 8 (1), 1-14 (2018).
- Kasendra, M., et al. Duodenum intestine-chip for preclinical drug assessment in a human relevant model. eLife. 9, 50135 (2020).
- Apostolou, A., et al. A novel microphysiological colon platform to decipher mechanisms driving human intestinal permeability. Cellular and Molecular Gastroenterology and Hepatology. 12 (5), 1719-1741 (2021).
- Jalili-Firoozinezhad, S., et al. Author correction: A complex human gut microbiome cultured in an anaerobic intestine-on-a-chip. Nature Biomedical Engineering. 3 (7), 583 (2019).
- Yin, J., et al. Fluid shear stress enhances differentiation of jejunal human enteroids in Intestine-Chip. American Journal of Physiology-Gastrointestinal and Liver Physiology. 320 (3), 258-271 (2021).
- Sontheimer-Phelps, A., et al. Human colon-on-a-chip enables continuous in vitro analysis of colon mucus layer accumulation and physiology. Cellular and Molecular Gastroenterology and Hepatology. 9 (3), 507-526 (2020).
- Tovaglieri, A., et al. Species-specific enhancement of enterohemorrhagic E. coli pathogenesis mediated by microbiome metabolites. Microbiome. 7 (1), 43 (2019).
- Huh, D., et al. Microfabrication of human organs-on-chips. Nature Protocols. 8 (11), 2135-2157 (2013).
- Fujii, M., Matano, M., Nanki, K., Sato, T. Efficient genetic engineering of human intestinal organoids using electroporation. Nature Protocols. 10 (10), 1474-1485 (2015).
- Kim, H. J., Huh, D., Hamilton, G., Ingber, D. E. Human gut-on-a-chip inhabited by microbial flora that experiences intestinal peristalsis-like motions and flow. Lab on a Chip. 12 (12), 2165-2174 (2012).
- Sarna, S. K. Colonic motility: From bench side to bedside. Morgan & Claypool Life Sciences. , (2010).
- Basson, M. D. Paradigms for mechanical signal transduction in the intestinal epithelium – category: Molecular, cell, and developmental biology. Digestion. 68 (4), 217-225 (2003).
- Wang, F., et al. Interferon-gamma and tumor necrosis factor-alpha synergize to induce intestinal epithelial barrier dysfunction by up-regulating myosin light chain kinase expression. The American Journal of Pathology. 166 (2), 409-419 (2005).
- Nava, P., et al. Interferon-γ regulates intestinal epithelial homeostasis through converging β-Catenin signaling pathways. Immunity. 32 (3), 392-402 (2010).
- Madara, J. L., Stafford, J. Interferon-γ directly affects barrier function of cultured intestinal epithelial monolayers. Journal of Clinical Investigation. 83 (2), 724-727 (1989).
- Bruewer, M., et al. Proinflammatory cytokines disrupt epithelial barrier function by apoptosis-independent mechanisms. The Journal of Immunology. 171 (11), 6164-6172 (2003).
- Jones, S. C., et al. Adhesion molecules in inflammatory bowel disease. Gut. 36 (5), 724-730 (1995).
- Uhlar, C. M., Whitehead, A. S. Serum amyloid A, the major vertebrate acute-phase reactant. European Journal of Biochemistry. 265 (2), 501-523 (1999).
- Pérez-González, C., Ceada, G., Matejčić, M., Trepat, X. Digesting the mechanobiology of the intestinal epithelium. Current Opinion in Genetics & Development. 72, 82-90 (2022).
- In, J., et al. Enterohemorrhagic escherichia coli reduces mucus and intermicrovillar bridges in human stem cell-derived colonoids. Cellular and Molecular Gastroenterology and Hepatology. 2 (1), 48-62 (2016).
- Grassart, A., et al. Bioengineered human organ-on-chip reveals intestinal microenvironment and mechanical forces impacting shigella infection. Cell Host and Microbe. 26 (3), 435-444 (2019).
- Kerns, S. J., et al. Human immunocompetent organ-on-chip platforms allow safety profiling of tumor-targeted t-cell bispecific antibodies. eLife. 10, 67106 (2021).
- Bhatia, S. N., Ingber, D. E. Microfluidic organs-on-chips. Nature Biotechnology. 32 (8), 760-772 (2014).
- Ingber, D. E. Reverse engineering human pathophysiology with organs-on-chips. Cell. 164 (6), 1105-1109 (2016).
