Étude du transport intestinal des ions mercure avec un dispositif gut-on-a-chip

Le transport des ions mercure à travers les cellules épithéliales intestinales peut être étudié pour des évaluations toxicologiques en utilisant des modèles animaux et des cultures cellulaires statiques. Cependant, les concepts ne reproduisent pas de manière fiable les conditions du microenvironnement intestinal humain pour surveiller la physiologie cellulaire in situ. En conséquence, le mécanisme de transport du mercure dans l’intestin humain est encore inconnu.

Dans un nouveau rapport maintenant publié dans Nature Microsystèmes et NanoingénierieLi Wang et une équipe de recherche en génie mécanique et en médecine régénérative en Chine ont développé un instrument gut-on-a-chip intégré avec résistance électrique transépithéliale (TEER) capteurs et capteurs électrochimiques.

Ils ont proposé d’explorer le concept dynamique pour simuler la barrière intestinale physique et refléter les mécanismes biologiques de transport et d’adsorption des ions mercure. Les scientifiques ont recréé le microenvironnement cellulaire en appliquant contrainte de cisaillement fluide et déformation mécanique cyclique.

Wang et l’équipe ont étudié l’adsorption du mercure et les dommages physiques causés par l’élément toxique sur les cellules épithéliales via les performances des capteurs électrochimiques après les avoir exposés à des cellules intestinales se développant sous diverses concentrations de mercure mélangées dans le milieu de culture cellulaire. L’équipe a noté l’expression et la régulation à la hausse correspondantes de Piézo1 et DMT1 (transporteur de métaux divalents), à la fois les canaux ioniques mécanosensoriels et les transporteurs de fer respectivement à la surface de la cellule.

Développer un modèle intestinal

Les ions mercure sont non biodégradable et peut s’accumuler dans l’organisme à faible concentration pour provoquer dommages aux organes principaux. Les ions mercure toxiques peuvent interagir avec les composants antioxydants, les enzymes de réparation de l’ADN et les protéines au niveau subcellulaire pour perturber l’homéostasie cellulaire et produire une structure et une fonction cellulaires désordonnées.

Bien que l’adsorption du mercure se produise principalement dans l’intestin grêle, des niveaux élevés d’ingestion de mercure peuvent provoquer des saignements internes et des perforations en peu de temps. L’absorption à long terme de faibles concentrations d’ions mercure peut également entraîner des maladies intestinales chroniques. Puisque l’épithélium intestinal constitue une première barrière pour limiter la pénétration du mercure ingéré dans la circulation sanguine et réduire ses effets nocifs ; un modèle intestinal raisonnable est d’une grande importance pour explorer les mécanismes de transport du mercure en laboratoire. Bien que les modèles animaux et les cultures cellulaires statiques soient traditionnellement utilisés pour étudier l’adsorption intestinale et le transport du mercure, ces modèles ne récapitulent pas efficacement le microenvironnement intestinal pour imiter l’intestin vivant.

Dans ce travail, les chercheurs ont développé un modèle gut-on-a-chip intégré à des capteurs sans étiquette, pour surveiller de manière non invasive les modifications de la résistance électrique transépithéliale (TEER) lors du comportement cellulaire de l’absorption du mercure, en temps réel. L’équipe a identifié les principales caractéristiques de l’intestin via des mesures électriques et des études d’immunohistochimie, afin d’évaluer l’effet sur les canaux ioniques mécanosensoriels.

Analyse numérique de l’appareil

L’équipe de recherche a développé une puce qui a montré un comportement mécanique similaire à l’intestin vivant et a introduit un flux de fluide représentatif et un étirement mécanique cyclique. Par exemple, une contrainte de cisaillement d’environ 0,02 dyne/cm2 produit un flux de fluide nécessaire à la morphogenèse épithéliale intestinale. Sur la base de calculs supplémentaires sur la puce d’organe, l’équipe a obtenu un débit de 160 μL/heure pour les dimensions correspondantes de la contrainte de cisaillement.

Ils ont ensuite simulé la dynamique déformation/contrainte de traction via Analyse des éléments finis comprendre les effets des paramètres sur les propriétés physiques de l’instrument notamment son diamètre de pore et leur impact sur la cytodifférenciation en analysant l’activité catalytique de phosphatase alcaline; généralement utilisé comme marqueur de lésions osseuses et hépatiques. L’équipe a noté une plus grande activité catalytique parmi les cellules sous flux de fluide et celles subissant une contrainte mécanique sur une puce après seulement sept jours de culture cellulaire.

Les résultats ont mis en évidence l’approche biomimétique et la capacité de croissance et de différenciation de la monocouche cellulaire sous stimulation mécanique. L’instrument gut-on-a-chip a fourni des structures biomimétiques ressemblant à des villosités intestinales pour maintenir l’intégrité de la barrière tissulaire et représentait un intestin humain clé physiologiquement pertinent.

Essais fonctionnels

L’équipe de recherche a ensuite exposé les cellules au mercure dans des conditions de culture statique pour comprendre le processus de mort cellulaire. Et a noté une augmentation du processus lors de l’augmentation de la concentration en mercure et du temps de culture. Ils ont noté que l’activité de lactate déshydrogénase (LDH) a augmenté avec le temps dans les tests pour montrer des effets égaux de la toxine dans les deux cultures cellulaires. Cependant, le degré de blessure entre les deux cultures différait. Par exemple, l’expression de LDH était supérieure dans la culture statique par rapport aux cultures cellulaires dynamiques après traitement au mercure.

Les scientifiques ont utilisé un réseau de capteurs électrochimiques intégré dans un dispositif gut-on-a-chip pour observer les interactions des cellules épithéliales avec le mercure. Ils ont exploré le mécanisme de transport de l’élément par rapport à son absorption sur les cellules épithéliales et ont étudié l’expression de protéines clés telles que Piezo1 et DMT1 par rapport aux canaux ioniques mécanosensoriels et aux transporteurs de fer actifs. Ils ont étudié les effets de différentes contraintes de traction sur la barrière cellulaire et ont noté qu’une augmentation de la stimulation mécanique entraînait une adsorption accrue du mercure via les cellules épithéliales intestinales, où les canaux ioniques mécanosensoriels présentaient également une corrélation positive.

Perspectives

De cette façon, Li Wang et ses collègues ont développé un dispositif gut-on-a-chip intégré à des capteurs de résistance électrique transépithéliale et à plusieurs capteurs électrochimiques pour stimuler le transport du mercure dans l’intestin humain in vitro. La dynamique de la puce a émulé une barrière intestinale physique et un microenvironnement pour observer le transport du mercure en temps réel. L’équipe a noté que la monocouche cellulaire sur l’intestin sur puce se différenciait pour former une barrière cellulaire complète via l’imagerie et l’immunohistochimie. L’équipe a l’intention de mieux comprendre les mécanismes supplémentaires sous-jacents aux maladies intestinales humaines en utilisant des puces d’organes pour promouvoir le développement de médicaments personnalisés.

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