Ús d’organoides humans per a l’estudi de la barrera epitelial i la resposta a productes microbians en la malaltia inflamatòria intestinal

Abstract

[cat] La malaltia de Crohn (MC) I la colitis ulcerosa (CU) són malalties inflamatòries intestinals cròniques (MII) causades per una desregulació de la resposta immune contra la flora comensal de l’intestí de l’hoste. El tractament farmacològic d’aquestes malalties es basa en teràpies immunosupressores convencionals o anticossos anti-TNF-α per a controlar els brots de la malaltia. En un 20-40% dels casos aquestes estratègies no resulten efectives i els pacients requereixen resecció intestinal per a controlar la malaltia. La immensa necessitat de desenvolupar noves teràpies es veu obstaculitzada per la falta de coneixement dels mecanismes moleculars causants de l’inici i del manteniment de la malaltia. Estudis genètics tant en MC com en CU donen suport a la importància de la funció de les cèl·lules epitelials en el desenvolupament de la malaltia. A més, estudis previs en el nostre laboratori revelen que tot i que en pacients amb CU en remissió, al voltant d’un 50% de gens alterats tornen a nivells d’expressió basal en absència d’inflamació, un subconjunt de gens es mantenen desregulats fins i tot després de la resolució de la malaltia. Així doncs, plantegem que aquest programa podria ser resultat de canvis en la seva població de cèl·lules mare epitelials situades a la base de les criptes intestinals. Per això l’objectiu del primer estudi va ser generar cultius d’organoides epitelials tant de malalts amb CU com d’individus sans i comparar els seus perfils transcripcionals. Gràcies a aquest primer estudi, vam veure que el sistema d’organoides epitelials era una bona eina per a estudiar el paper de l’epiteli en les MII i és per això que vam utilitzar aquest sistema per a realitzar el segon estudi on vam valorar la resposta de l’epiteli al butirat, un producte de la fermentació dels bacteris al colon i que forma part dels àcids grassos de cadena curta (AGCC) i que s’ha demostrat no només que hi ha alteracions en la seva producció en malalts amb MII si no també en el seu consum. És per això que l’objectiu principal d’aquest segon estudi va ser estudiar l’efecte del butirat sobre els organoides derivats tant de malalts amb MII com d’individus sans i a més estudiar el seu efecte en el context de la inflamació. En aquest estudi demostrem, primer, que algunes de les diferències d’expressió que es veuen a la mucosa dels pacients amb CU es mantenen en el cultiu ex vivo d’organoides epitelials generats a partir de biòpsies de pacients amb CU comparat amb els individus sans. Entre tots els gens que es troben desregulats en el cultiu d’organoides derivats de pacients amb CU, alguns estan relacionats amb les funcions secretores i absortives de l’epiteli. A més, la signatura d’expressió detectada en el cultiu d’organoides derivat de pacients amb CU mostra trets característics del tracte GI superior. Així doncs, el primer estudi demostra que els canvis en el compartiment epitelial es mantenen en cultiu d’organoides; donant evidència que aquest model pot servir per a explorar la presència d’alteracions que perduren a l’epiteli intestinal de pacients amb MII i per a investigar els seus possibles papers en la perpetuació de la malaltia. En el segon estudi podem observar com el sistema d’organoides permet estudiar l’efecte del butirat sobre l’epiteli intestinal, regulant de forma molt significativa diferents vies. Així, el butirat afecta negativament la proliferació, indueix una resposta contra l’estrès oxidatiu i regula la resposta immune. Alhora, també concloem que l’epiteli de pacients amb MII no presenta alteracions intrínseques que modulin la resposta al butirat però que, en condicions d’inflamació i en concret en resposta a la presència del TNF-α, es dóna una desregulació dels transportadors amb una menor captació i metabolisme del butirat.

[eng] Crohn’s Disease (CD) and Ulcerative Colitis (UC) are chronic inflammatory bowel diseases (IBD) of unknown etiology. Growing evidence supports a role for epithelial cell defects in driving pathology. Moreover, long-lasting changes in the epithelial barrier have been reported in quiescent UC. This is why; the aim of the first study was to investigate whether epithelial cell defects in UC patients could originate from changes in the epithelial stem cell compartment imprinted by the disease. The results of this study revealed that expression differences are maintained in ex vivo expanded epithelial organoid cultures generated from biopsy samples of patients with UC compared with healthy subjects. These differences are possibly due to permanent changes in the stem cell compartment. Among the genes permanently deregulated in organoid cultures from patients with UC, several are associated with epithelial secretory and absorptive functions. Moreover, the expression signature detected in organoid cultures derived from patients with UC shows traits characteristic of the upper GI tract. Thanks to the first study where we saw that the organoid culture system can serve as a model to explore the intestinal epithelium of patients with IBD; we used this system to study the epithelial response to butyrate, a product of bacterial fermentation. IBD patients present alterations in both butyrate levels and consumption. This is why; the aim of this study was to investigate the effect of butyrate on primary human intestinal epithelium in the context of inflammation. We demonstrate that butyrate stimulation affect several signaling pathways in human epithelium. Butyrate negatively regulated proliferation and cell cycle, induced a protective response to oxidative stress and regulated genes related to the immune response. IBD derived epithelial organoids have no defects on butyrate consumption and response; but, in the presence of TNF-α, there is a deregulation of butyrate transporters, consumption and response to this metabolite.