Das Organ-on-Chip-Modell treibt die Erforschung sexuell übertragbarer Infektionen voran

Sexuell übertragbare Infektionen (STIs) beeinträchtigen nicht nur die Gesundheit des Einzelnen, sondern verursachen weltweit auch wirtschaftliche Verluste in Höhe von mehreren Milliarden Dollar. Um diese Krankheiten zu untersuchen, hat ein Forscherteam das erste immunfähige „Organ-on-a-Chip“-Modell seiner Art entwickelt, das die menschliche Gebärmutterhalsumgebung realistisch nachbildet und es Wissenschaftlern ermöglicht, zu untersuchen, wie das Mikrobiom, das Immunsystem und sexuell übertragbare Krankheiten interagieren – etwas, das zuvor mit stark vereinfachten Zellkulturen oder Tiermodellen nicht möglich war. Wissenschaftler der University of Maryland School of Medicine (UMSOM) und der School of Dentistry (UMSOD), der University of Delaware und der University of Virginia veröffentlichten die Forschung in der Zeitschrift Wissenschaftliche Fortschritte.

Chlamydien und Gonorrhoe machen einen erheblichen Anteil der STI-Belastung aus, wobei allein in den Vereinigten Staaten die direkten medizinischen Kosten aufgrund ihrer hohen Inzidenz und der damit verbundenen Komplikationen auf etwa 1 Milliarde US-Dollar pro Jahr geschätzt werden. Weltweit meldet die Weltgesundheitsorganisation (WHO) fast eine Million neue sexuell übertragbare Krankheiten jeden Tag bei Menschen im Alter von 15 bis 49 Jahren, darunter 129 Millionen neue Chlamydienfälle pro Jahr. Über ihre wirtschaftlichen Auswirkungen hinaus können Chlamydien und Gonorrhoe zu schwerwiegenden Komplikationen für die Gesundheit von Frauen führen, darunter entzündliche Erkrankungen des Beckens, Unfruchtbarkeit und unerwünschte Schwangerschaftsausgänge wie Frühgeburten.

Dieses neue Modell wird die Art und Weise, wie Wissenschaftler sexuell übertragbare Krankheiten untersuchen, revolutionieren und zu einem besseren Verständnis dieser Erkrankungen sowie dem Potenzial für bessere Behandlungen führen. Der andere wichtige Teil dieser Forschung war die interdisziplinäre Zusammenarbeit bei der Forschung. Durch die Integration von Technik, Mikrobiologie, Immunologie und Mikrobiomwissenschaft konnten wir ein Modell erstellen, das die menschliche Biologie und die Komplexität der Mikroumgebung des Gebärmutterhalses besser widerspiegelt.“

Jacques Ravel, PhD, Co-Hauptautor, Direktor des Zentrums für Mikrobiomforschung und -innovation (CAMRI) am Institut für Genomwissenschaften (IGS) der UMSOM; der John L. Whitehurst Professor für Medizin, Mikrobiologie und Immunologie und stellvertretender Dekan für Forschungsförderung an der UMSOM

Das Organ-on-a-Chip-Modell, wissenschaftlich als „mikrophysiologisches System“ bekannt, simuliert den menschlichen Gebärmutterhals mithilfe von Gebärmutterhalsepithelzellen, Stützgewebezellen, Immunzellen, Flüssigkeitsfluss und Mikrobiomen, die häufig in der Vagina vorkommen. Das Modell besteht aus einer porösen Membran, die auf der einen Seite mit menschlichen Gebärmutterhalszellen und auf der anderen mit Stützzellen beschichtet ist. Flüssigkeiten fließen über beide Seiten und imitieren so physiologische Bedingungen. Wenn Mikrobiome und Krankheitserreger hinzugefügt werden, reproduziert das Modell wichtige Aspekte dessen, was im menschlichen Gebärmutterhals geschieht.

„Ein Hauptziel bestand darin, ein komplexes Modellsystem zu entwickeln, das sowohl praktisch als auch zugänglich ist und es Forschern außerhalb von Biotechniklabors ermöglicht, es zu übernehmen und zur Beantwortung wichtiger biologischer Fragen anzuwenden“, sagte Co-Hauptautor Jason Gleghorn, PhD, außerordentlicher Professor für Biomedizintechnik an der University of Delaware, der die Modellentwicklung leitete. „Der Bedarf an diesem Modell war besonders wichtig für die Untersuchung des vaginalen Mikrobioms, von dem wir wissen, dass es eine wichtige Rolle bei der Anfälligkeit für sexuell übertragbare Krankheiten spielt.“

Nach der Entwicklung des Modells testete das Forscherteam es anhand von zwei sexuell übertragbaren Infektionen: Chlamydien, verursacht durch Chlamydia trachomatis, und Gonorrhoe, verursacht durch Neisseria gonorrhoeae.

„Eine der aufregendsten Erkenntnisse war, dass genau wie bei Frauen das schützende Mikrobiom dominiert Lactobacillus Crispatus begrenzte Infektion im Modell, was die entscheidende Rolle des vaginalen Mikrobioms beim STI-Risiko weiter unterstreicht. „Im Gegensatz dazu verschlimmerten sich Infektionen, als wir ‚nicht optimale‘ Mikrobiome einführten“, sagte Dr. Ravel. „Dieses Modell bietet ein leistungsstarkes neues Werkzeug, um schnellere, effektivere und personalisiertere Behandlungen zu entwickeln und neue Therapien wie Probiotika oder lebende Biotherapeutika zu testen, um Frauen letztendlich vor Infektionen zu schützen, bevor sie auftreten.“ Zum ersten Mal können wir simulieren, was im menschlichen Körper passiert, anstatt uns ausschließlich auf Petrischalensysteme oder unzureichende Tiermodelle zu verlassen.“

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