Organoidy jelitowe i żołądkowe w badaniach infekcji (Escherichia coli, Helicobacter pylori)

Zastosowanie organoidów jelitowych i żołądkowych stanowi jeden z najbardziej zaawansowanych kierunków współczesnej biologii translacyjnej. Modelowanie infekcji bakteryjnych, takich jak zakażenia wywołane przez enteropatogenne Escherichia coli (EPEC) czy Helicobacter pylori, pozwala nie tylko lepiej zrozumieć mechanizmy patogenezy, ale również otwiera nowe perspektywy dla medycyny spersonalizowanej i testowania leków.

W artykule

• Organoidy jako model badań infekcji przewodu pokarmowego
• Mechanizmy różnicowania komórek macierzystych w tkankach
• Zastosowanie organoidów w medycynie spersonalizowanej
• Naturalne mechanizmy obronne jelita wobec EPEC
• Interakcje Helicobacter pylori z nabłonkiem żołądka
• Rola centrum „Der Simulierte Mensch” w rozwoju medycyny przyszłości

W ramach nowego centrum badawczego „Der Simulierte Mensch” opracowano model organoidów jelitowych umożliwiający badanie infekcji wywołanych przez Escherichia coli. Zespół kierowany przez prof. dr Sinę Bartfeld stworzył model organoidu jelitowego, który pozwala analizować drogę zakażenia wywoływanego przez enteropatogenne Escherichia coli (EPEC). W trakcie badań naukowcy zidentyfikowali skuteczny, naturalny mechanizm ochronny komórek nabłonka jelitowego. EPEC mogą wywoływać ostre zapalenie jelit, szczególnie u małych dzieci. Osiągnięcie to było możliwe dzięki wykorzystaniu organoidów – struktur przypominających narządy, wytwarzanych in vitro z komórek macierzystych. Sina Bartfeld będzie kontynuować swoje badania również w nowym centrum badawczym „Der Simulierte Mensch” (Si-M), utworzonym przez TU Berlin i Charité – Universitätsmedizin Berlin, które zostało otwarte 22 kwietnia 2026 roku w Berlinie-Wedding. Pełni tam także funkcję współrzeczniczki projektu.

Na TU Berlin prof. dr Sina Bartfeld kieruje Zakładem Biotechnologii Medycznej, gdzie bada m.in. mechanizmy umożliwiające bakteriom patogennym infekowanie komórek przewodu pokarmowego. Zespół badawczy wykorzystuje organoidy powstające z tkankowo rezydujących komórek macierzystych. Komórki te naturalnie występują w organizmie i odpowiadają za ciągłą regenerację nabłonka, np. w żołądku czy jelitach. Każda tkanka posiada specyficzne dla siebie komórki macierzyste, które różnicują się wyłącznie w kierunku właściwych jej typów komórkowych.

Magia w macierzy

Komórki macierzyste wykorzystywane do tworzenia organoidów żołądka i jelit pozyskiwane są z próbek tkankowych pacjentów. Następnie hodowane są w trójwymiarowej macierzy o konsystencji żelu i odżywiane odpowiednim medium. W takich warunkach komórki zaczynają proliferować i organizować się w sposób uporządkowany. Tworzą trójwymiarową strukturę z pojedynczej warstwy komórek otaczających światło centralne. Wynika to z ich biologicznego zaprogramowania – komórki nabłonka jelitowego i żołądkowego mają zdolność tworzenia szczelnej bariery oraz silnych połączeń międzykomórkowych, co spontanicznie prowadzi do powstania struktury przypominającej miniaturowy narząd.

Organoidy w medycynie spersonalizowanej i testowaniu leków

Pojedynczy organoid składa się z około 4000 komórek i osiąga rozmiar zbliżony do ziarenka maku lub sezamu. Pomimo niewielkich rozmiarów, ich znaczenie badawcze jest ogromne. Organoidy umożliwiają analizę mechanizmów infekcji, patogenezy chorób oraz odpowiedzi komórkowej na różne czynniki. W przyszłości mogą znaleźć zastosowanie zarówno w medycynie spersonalizowanej, jak i w precyzyjnym testowaniu leków, eliminując potrzebę stosowania modeli zwierzęcych.

Warstwa śluzowa jako bariera dla EPEC

Wykorzystując organoidy jelitowe, badacze stworzyli model do analizy infekcji wywołanych przez EPEC. Ustalono, że komórki jelitowe tworzą naturalną barierę ochronną przed tym patogenem. Kluczową rolę odgrywa warstwa śluzu produkowana przez komórki nabłonka. Jej struktura i mechanizmy powstawania pozostają przedmiotem dalszych badań. Szczególnie interesujący jest fakt, że infekcje EPEC częściej występują u małych dzieci – przyczyny tego zjawiska nie są jeszcze w pełni poznane. Organoidy umożliwiają jednak porównania między różnymi grupami wiekowymi, co stanowi istotny kierunek dalszych badań.

Helicobacter pylori i wybiórcza kolonizacja komórek

Badania z wykorzystaniem organoidów żołądkowych wykazały, że Helicobacter pylori preferencyjnie kolonizuje tzw. komórki dołeczkowe nabłonka żołądka. Są one prawdopodobnie mniej aktywne immunologicznie, co czyni je bardziej podatnymi na infekcję. Dodatkowo wydzielają mocznik, który bakteria może wykrywać jako sygnał chemotaktyczny. Mechanizmy molekularne umożliwiające penetrację komórek przez H. pylori są obecnie intensywnie badane.

„Der Simulierte Mensch” – platforma dla medycyny przyszłości

Zespół badawczy wykorzystuje również modele typu organ-on-a-chip, łącząc organoidy żołądka i wątroby w celu badania metabolizmu leków. Równolegle prowadzone są próby symulacji mikrobioty jelitowej w organoidach jelitowych. Wszystkie te działania będą kontynuowane w centrum „Der Simulierte Mensch”, gdzie interdyscyplinarna współpraca naukowców z dziedzin medycyny, biologii, inżynierii i bioinformatyki ma prowadzić do opracowania nowych metod diagnostycznych i terapeutycznych.

Centrum Si-M zostało zaprojektowane jako przestrzeń integrująca różne dziedziny nauki, wyposażona w zaawansowaną aparaturę, w tym spektrometrię mas, bioprinting oraz mikroskopię laserową. Jednym z głównych celów jest rozwój technologii pozwalających na zastąpienie badań na zwierzętach poprzez wykorzystanie miniaturowych organów tworzonych z ludzkich komórek.

Źródło: FEBS Letters, Study on EPEC bacteria
DOI: https://doi.org/10.1002/1873-3468.70182