Forskning i tarmens sundhed, især i forhold til probiotika, er særdeles udfordrende med de traditionelle laboratoriemodeller, som ikke præcist kan genskabe den menneskelige tarm. En ny teknik gør det nu muligt at dyrke sunde tarmceller i laboratoriet og genskaber den faktiske tarm særdeles godt. Dette gennembrud, som kombinerer stamcellevidenskab med ostefremstilling, giver mere præcis indsigt i interaktionerne mellem probiotika og tarmen og tydeliggør dets mulige betydning for lægemiddelforskning. Samtidig fremhæver den vigtigheden af realistiske tarmmodeller i videnskabelige studier.
Probiotika - de "gode bakterier", der kan understøtte en sund tarmfunktion - er nu en fast del af sortimentet på både apoteker og i supermakeder. Men ny forskning antyder, at forskere faktisk har undervurderet tarmens reaktion på bakterier - på grund af en selve måden, man har bedrevet denne form for videnskab.
En ny artikel, offentliggjort i november i Gut Microbes, stiller spørgsmålstegn ved pålideligheden af den standardmodel, der viser, hvordan de menneskelige tarme reagerer på bakterier, og foreslår en ny og bedre måde til at "skabe en tarm" i en petriskål.
Dette er resultatet af et samarbejde mellem stamcelleforskere og mikrobiologer.
"Vi genskaber faktisk den del af tarmen, der er udsat for alle mikroberne i vores krop," fortæller medforfatter Kim Bak Jensen, der professor og direktør ved Novo Nordisk Foundation Center for Stem Cell Medicine (reNEW) ved Københavns Universitet.
Sunde tarmceller hader laboratorier
Det menneskelige fordøjelsessystem - et utrolig 6 meter lang rør snoet ind i vores kroppe - er ekstremt vanskeligt for forskere at tilgå, mens det er i inde i kroppen, forklarer Kim Bak Jensen. Det betyder, at forskere, der gerne vil vide mere om, hvordan fordøjelsessystemet interagerer med bakterier, i stedet er afhængige af in vitro-modeller, systemer der kan efterligne tarmsystemet i et laboratorium.
I fordøjelseskanalen interagerer bakterier med menneskets krop via epitellaget i tarmene - den indre foring, der konstant er i kontakt med de mavens gastriske safter, der også huser disse bakteriesamfund.
Men normale, sunde epitelceller fra tarmen bryder sig desværre ikke om gro i traditionelle in vitro-laboratorieopstillinger, forklarer Kim Bak Jensen. "Hvis du tog celler ud af et stykke væv fra en sund person, ville intet vokse," forklarer han.
I årtier har forskere derfor vendt sig til en mere robust type af humane epitelceller for at studere tarmepitelet in vitro - Caco-2. Dette er en cellelinje isoleret fra en patient med tyktarmskræft i USA i 1977. Derefter er den brugt omfattende til forskning.
En række vækstfaktorer
Per definition er kræftceller nemlig modstandsdygtige over for celledød og nemme til at få til at vokse eksponentielt. Dette gør dem særdeles velegnet til forskning, da de kan vokse i laboratorier i forsøg, der ofte kræver mange celler.
Derudover kan Caco-2-celler også organisere sig i en struktur, der minder om epitellaget, forklarer Kim Bak Jensen, men problemet er, at de er kræftceller og derfor ikke præcis som de celler, som man normalt ville observere i en sund tarm.
Nye udviklinger inden for tarmforskningen har dog nu overvundet de normale begrænsninger ved at dyrke de sunde tarmepitelbeklædning fra stamceller. Det gjorde det muligt for forskere at lave strukturer - kaldet organoider - eller mini-tarme - som er strukturer, der vokser som hule strukturer, der simulerer den sunde tarmepitelbeklædning med den indre foring, den luminale del, der vender mod indersiden af strukturerne.
Dette var et gennembrud for feltet, forklarer Jensen. Men et problem var tilbage, fordi i organoider vender den luminale overflade indad, hvorimod den normalt vil interagere med mikrober på ydersiden.
Eksperter i ostekultur
Adam Baker er vant til at være den fremmede i stamcelleverdenen. Med en baggrund i human medicinsk genetik er Baker direktør for videnskab for Future Labs hos Chr. Hansen, et dansk bioteknologifirma, der ikke har deres hovedfokus på netop stamceller.
"Vi har det mest omfattende udvalg af kulturer og enzymer til ost i mejeriverdenen," siger Baker.
Ostefremstilling er trods alt kunsten at bruge bakterier i mejeriprodukter. "Det er noget, vi er meget gode til - at producere bakterier," forklarer Baker. Mens Chr. Hansens starterkulturfirma har været aktivt i 150 år, "begyndte vi kun i probiotikaforretningen for 25 år siden eller deromkring."
Chr. Hansen producerer probiotiske kosttilskud og sælger til mange producenter - også deres bakteriestammer, som til ofte ender i kultiverede mejeriprodukter over hele verden, fx i A38® og Cultura®.
Men med manglende data om, hvordan probiotikas samspil med tarmen, ønskede Baker og Chr. Hansen at forstå bedre, hvordan deres ynglingsbakteriestammer opfører sig.
I samarbejde med Københavns Universitet gik de i gang med at designe en platform, der ville muliggøre, at de kunne observere sunde celler reagere på probiotika ved hjælp af stamcelle-afledte tarmorganoider.
Den nye artikel i Gut Microbes præsenterer frugterne af deres arbejde - en platform, der muliggør, at tarmstamceller kan vokse til et fladt lag af epithelvæv i stedet for i et organoid.
Ingen erstatning for sundt væv
For at dyrke organoider fra ikke-kræftceller samlede partnere på Herlev Hospital vævsprøver fra tyndtarmen fra unge, sunde frivillige.
Derefter udvandt forskere på Københavns Universitet tarmstamceller fra disse prøver og dyrkede dem som organoider i et dedikeret cellekulturfacilitet. For at fremme dannelsen af flade 2D organoider i stedet for 3D organoider, skabte forskerne en støttekonstruktion lavet af laminin 511 - et fibrøst protein, der understøtter tarmens struktur.
Til forskernes glæde syntes disse sunde tarm stamceller at føle sig hjemme i det nye stillads og dannede flade lag med en tydelig inderside og yderside svarende til tarmen. Næste skridt var at teste fire stammer af Chr. Hansens probiotika på den kunstige tarm.
Probiotika udløste en hvirvel af aktivitet i de sunde celler. Tre stammer fremkaldte ændringer i udtrykket af cirka 200 gener, og en stamme påvirkede aktiviteten af mere end 400 gener. Forskerne identificerede 61 gener, der blev påvirket af alle fire probiotiske stammer.
Forskellen mellem de sunde celler og Caco-2-linjen var slående, siger forskerne. Caco-2-celler udsat for de samme probiotika viste ”lidt, hvis overhovedet nogen” umiddelbar respons.
Krydsning af barrierer
Forskerne mener, at deres fund understreger begrænsningerne ved at bruge kræftcelle som model for menneskets biologi. Caco-2-linjen har været afgørende for forståelsen af tarmens indre, "men den kan ikke genskabe alt der er værd at vide om menneskelig fysiologi," siger Jensen.
Og mens det nye system bestemt er en fordel for forskere i probiotika som Baker, har denne nye måde at modellere tarmen også anvendelser inden for andre discipliner.
"Vi får mange henvendelser fra andre virksomheder, der gerne vil finde måder at sende noget på tværs af det tarmens membran," forklarer Kim Bak Jensen. "Hvis du effektivt kan transportere noget på tværs, vil det gøre det muligt at give folk flere forskellige lægemidler, der så bare skal passere gennem maven fremfor at sprøjtes ind."
