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Mit HuMiX, ein Modell der "Interaktion zwischen Mensch und Mikroben", können menschliche Darmzellen und Bakterien in einem sehr eingeschränkten Raum und unter repräsentativen Bedingungen zusammengewachsen werden.

Das neue HuMiX-Gerät erlaubt Forschern, die Kommunikation zwischen Bakterien und menschlichen Zellen zu beobachten. 

Im Darm kommt der Körper mit allen möglichen Bestandteilen der verdauten Nahrung sowie mit zahllosen Bakterien in Kontakt. Um die komplexen Wechselwirkungen zwischen menschlichen Zellen und Bakterien genauer analysieren zu können, haben Wissenschaftler des Luxembourg Centre for Systems Biomedicine (LCSB) der Universität Luxemburg ein künstliches Modell des menschlichen Darms entwickelt und patentiert. 

HuMiX – so heißt die Apparatur von der Größe eines Bierdeckels, gibt die Vorgänge in unserem Darm und die Rahmenbedingungen, unter denen die Prozesse ablaufen, sehr genau wieder. Mit dem Modell können die Forscher im Labor untersuchen, ob und wie Wechselwirkungen zwischen menschlichen Darmzellen und Bakterien Auswirkungen auf die Gesundheit oder auf die Enstehung von Krankheiten haben. Außerdem können sie die Wirkung von Probiotika und Medikamenten auf die Mikroflora analysieren. 

Kommunikation der Bakterien mit menschlichen Darmzellen live beobachten

In HuMiX, dem „Human Microbial Cross-talk“ Modell, lassen sich menschliche Darmzellen sowie Bakterien auf engstem Raum unter repräsentativen Bedingungen gemeinsam kultivieren. Die Apparatur hat drei Kammern. In der obersten Kammer liegt die Versorgungsebene, aus der kontinuierlich Nährflüssigkeit in die darunter liegenden Zellkulturen strömt. Die menschlichen Zellen wachsen auf einer sehr dünnen Membran in der mittleren Ebene, die Bakterien in der unteren.

„Mit HuMiX können wir die Kommunikation der Bakterien mit menschlichen Darmzellen, also ihre Interaktion live beobachten“, sagt Professor Dr. Paul Wilmes, Leiter der LCSB-Ökosystembiologie-Gruppe und Erfinder von HuMiX. Das Gerät stellt ein neues Werkzeug für die Mikrobiom-Forschung dar. Das menschliche Mikrobiom, die Gemeinschaft aller mikrobiellen Organismen, die auf unserem Körper leben, entwickelt sich zunehmend zu einem Schlüsselbereich der Gesundheitsforschung, in dem die LCSB Gruppe ebenfalls sehr aktiv ist. 

HuMiX liefert genaues Abbild von zellulären und molekularen Prozessen im menschlichen Darm

In ihren Tests, in denen sie die Aussagekraft von Versuchen mit HuMiX überprüft haben, setzten die Forscher verschiedene Bakterienstämme in Reinkultur ein. „Mit Hilfe modernster, am LCSB etablierter Analysemethoden konnten wir anschließend untersuchen, wie sich die Genaktivität und der Stoffwechsel der Darmepithelzellen in Abhängigkeit vom eingesetzten Bakterienstamm in HuMiX verändern“, sagt Wilmes. „Der Vergleich unserer Daten mit den Ergebnissen anderer Forschergruppen, die diese am Menschen oder an Tieren erzielt hatten, ergab hohe Übereinstimmungen.“  Das heißt: HuMiX liefert ein sehr genaues Abbild von den zellulären und molekularen Prozessen im menschlichen Darm. „Wir können mit HuMiX aber auch Prozesse untersuchen, die mit bisherigen Techniken experimentell nicht zugänglich waren“, so Wilmes weiter.

Anwendung in der klinischen Forschung  

Doch Wilmes sieht einen Nutzen nicht nur für die Grundlagenforschung, sondern auch für die klinische Anwendung: „Mit HuMiX können wir jetzt analysieren, wie Probiotika, Bestandteile der Nahrung oder Wirkstoffe von Medikamenten auf den menschlichen Körper wirken. Davon versprechen wir uns konkrete Hinweise darauf, wie diese Therapeutika weiterentwickelt werden müssen, um zukünftig besser zu wirken.“

Dr. Pranjul Shah, derzeit Business Development und Innovation Expert des LCSB und Erstautor der Studie, sieht auch ein wirtschaftliches Potenzial in der Technologie und bereitet als Entrepreneur-in-Residence das Spin-off-Unternehmen OrgaMime vor: „HuMiX ist gut positioniert, um bei neu gegründeten Start-ups, Pharma- sowie Nutraceutical-Unternehmen als Grundlagentechnologie für eine Reihe von Wirkstoffforschungsprogrammen zu dienen. Sie hat das Potenzial die Entdeckung neuer Behandlungen gegen Fettleibigkeit, entzündliche Darmerkrankungen, Diabetes, Krebs und neurodegenerative Krankheiten weiter zu verstehen und somit zu unterstützen.“

Erkenntnisse im britischen Fachjournal Nature Communications veröffentlicht

Ihre Erkenntnisse veröffentlichen die Wissenschaftler nun im renommierten britischen Fachjournal Nature Communications. In der Publikation bringen die Wissenschaftler den Nachweis, dass HuMiX ein geeignetes Instrument ist, um eine ganze Reihe molekularer Prozesse zu verstehen, die an der Interaktion zwischen menschlichen Darmzellen und Bakterien beteiligt sind.

Die Untersuchungen fanden in Zusammenarbeit mit Forschern des Luxembourg Institute of Health (LIH) und der US-amerikanischen Universität von Arizona statt. Das HuMiX-Projekt wurde vom Fonds National de la Recherche (FNR) im Rahmen der Programme ATTRACT, CORE, INTER Mobility, Accompanying Measures 2c, Proof of Concept und AFR gefördert.

Autor: Uni Luxemburg
Video: Uni Luxemburg

Infobox

Mikrobiom

Das Mikrobiom beschreibt die Gemeinschaft aller mikrobiellen Organismen, die in und auf unserem Körper leben, und die Organismen in unserem Darm machen ca. 1,5 kg unserer eigenen Körpermasse aus. Seit den letzten 5 Jahren wird dieses Ökosystem unseres Körpers wegen seiner potenziell enormen Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit und Krankheiten intensiven Studien unterzogen.

HuMiX

HuMiX steht für „Human-Microbial X(cross)-talk”. HuMiX stellt ein „Organ-on-a-Chip“-Modell des menschlichen Gastrointestinaltraktes dar, um die Wechselwirkungen zwischen menschlichen und mikrobiellen Zellen zu untersuchen, wie sie im Darm auftreten. 

Publikation

Der Artikel „A microfluidics based in vitro model of gastrointestinal human-microbe interface“ ist hier zu finden: [DOI: 10.1038/ncomms11535].

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FNR

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