Manche Menschen können Chili ohne Probleme essen, während sie bei anderen möglicherweise einen Rückschlag aus dem Darm bekommen.
Nicht nur das, aber wenn Sie nervös werden, spüren Sie es vielleicht auch in Ihrem Bauch. Aber was genau führt zu diesen unterschiedlichen Reaktionen? Und warum ist jeder anders?
Diese Antworten und mehr könnten endlich in Reichweite sein nachdem Wissenschaftler den menschlichen Darm zum ersten Mal erfolgreich mit Einzelzellauflösung kartiert hatten.
Sie hoffen, dass dieser Durchbruch die Tür öffnet, um die vielen Facetten der Darmgesundheit viel präziser und mit größerer Auflösung als je zuvor zu erforschen und gleichzeitig wichtige Einblicke in Darmerkrankungen zu gewinnen.
Durchbruch: Wissenschaftlern ist es erstmals gelungen, den menschlichen Darm mit Einzelzellauflösung zu kartieren (Bild). Sie erhoffen sich davon wichtige Erkenntnisse zu Darmerkrankungen
Forscher der University of North Carolina (UNC) verwendeten ganze menschliche Magen-Darm-Trakte von drei Organspendern, um zu zeigen, wie sich Zelltypen in allen Regionen des Darms unterscheiden, um Licht auf Zellfunktionen zu werfen und um Unterschiede in der Genexpression zwischen diesen Zellen und zwischen Individuen aufzuzeigen.
“Unser Labor hat gezeigt, dass es möglich ist, die Funktion jedes Zelltyps bei wichtigen Prozessen wie der Nährstoffaufnahme, dem Schutz vor Parasiten und der Produktion von Schleim und Hormonen zu erfahren, die das Essverhalten und die Darmmotilität regulieren”, sagte der Hauptautor der Studie, Scott Magness.
“Wir haben auch gelernt, wie die Darmschleimhaut über Rezeptoren und Sensoren mit der Umwelt interagieren könnte und wie Medikamente mit verschiedenen Zelltypen interagieren könnten.”
Denken Sie an ein typisches Voice-Over einer pharmazeutischen Werbung, wenn der Synchronsprecher mögliche Nebenwirkungen wie Durchfall, Erbrechen, Darmblutungen und andere unangenehme Begleitschäden angenehm aufzählt.
Das Magness-Labor der UNC versucht zu verstehen, warum Nebenwirkungen wie Durchfall, Erbrechen und Darmblutungen auftreten, bis hinunter auf die Ebene einzelner Zellen, ihrer Funktionen, ihrer Standorte und ihrer Gene.
Für diese Studie konzentrierten sich die Forscher auf das Epithel: die einzellige dicke Schicht, die das Innere des Darms und Dickdarms von allem anderen trennt.
Wie andere Zellpopulationen und die Mikrobiota ist das Epithel unglaublich wichtig für die menschliche Gesundheit und wird seit Jahren von Wissenschaftlern erforscht.
Bisher konnten Forscher jedoch nur winzige Biopsien in der Größe von Reiskörnern aus wenigen Teilen des Verdauungstrakts entnehmen, normalerweise aus dem Dickdarm oder begrenzten Regionen des Dünndarms.
“Solche Erkundungen wären so, als würde man die Vereinigten Staaten aus dem Weltraum betrachten, aber nur untersuchen, was in Massachusetts, Oklahoma und Kalifornien vor sich geht”, sagte Magness. „Um wirklich etwas über das Land zu lernen, würden wir alles sehen wollen.“
Magness stützte sich auf Co-Erstautoren, den Postdoktoranden Joseph Burclaff, PhD, und den Doktoranden Jarrett Bliton, beide Praktikanten im Magness-Labor.
“Wir wollen nicht nur identifizieren, wo sich die Zellen befinden, sondern auch genau wissen, welche Zelltypen was tun und warum”, sagte Burclaff.
„Um bei der Kartenanalogie zu bleiben, wollen wir nicht einfach sagen: ‚Oh, da ist North Carolina‘. Wir wollen wissen, wo man den besten Grill bekommt. Wir wollen, dass eine Bodenansicht so viel wie möglich weiß.“
Diese Grafik zeigt die Bereiche des Darms, einschließlich Colon ascendens (AC), Colon transversum (TC), Colon descendens (DC), Ileum (Ile) und Jejunum (Jej)
Diese Grafik zeigt einige der Zellen im Dickdarm und Dünndarm, darunter intestinale Stammzellen (ISC), transit amplifying (TA), absorptive Kolonozyten (ACC), absorptive Enterozyten (AE), enteroendokrine Zellen (EEC), Follikel-assoziiertes Epithel ( FAE) und Becherzellen
In der Vergangenheit haben Forscher diese reisgroßen Biopsien zerdrückt, um alle Epithelzelltypen zu identifizieren und einige allgemeine Merkmale dieser Zellen zu lernen.
Diese Studie verwendete jedoch eine andere Technik, bei der Tausende einzelner Zellen aus dem Dünndarm und dem Dickdarm entnommen wurden, um eine Karte des Magen-Darm-Trakts zu erstellen.
Die Karte würde dann verwendet, um die potenzielle Rolle der Zellen basierend auf der Genexpression benachbarter Zellen vorherzusagen.
„Das Bild, das wir von jeder Zelle erhalten, ist ein Mosaik aus all den verschiedenen Arten von Genen, die die Zellen bilden, und diese Genergänzung erzeugt eine „Signatur“, die uns sagt, um welche Art von Zelle es sich handelt und was sie möglicherweise tut“, sagte Magness .
“Ist es eine Stammzelle oder eine Schleimhautzelle oder eine hormonproduzierende Zelle oder eine Immunsignalzelle?”
Burclaff sagte: „Wir konnten die Unterschiede in den Zelltypen im gesamten Verdauungstrakt sehen, und wir können unterschiedliche Genexpressionsniveaus in denselben Zelltypen von drei verschiedenen Personen sehen.
„Wir können sehen, wie die verschiedenen Gruppen von Genen in einzelnen Zellen an- oder abgeschaltet werden. Auf diese Weise könnten wir zum Beispiel anfangen zu verstehen, warum manche Menschen bestimmte Nahrungsmittel oder Medikamente vergiften und manche Menschen nicht.’
Er fügte hinzu: „Wir haben nicht nur jeden einzelnen Zelltyp und jedes einzelne Gen, das sie exprimieren, einzeln beschrieben, sondern uns auch mögliche Funktionen angesehen.
„Wenn man sich den Darmschleim anschaut, ein komplexes Gemisch, das die Zellen schützt, zeigen wir, welche Zellen verschiedene Muzinproteine in welcher Menge und in welchen Regionen des Verdauungstrakts exprimieren.
„Wir haben untersucht, wo bestimmte Enzyme, die Nahrung verdauen, exprimiert werden. Wir haben uns Zellen mit entzündungshemmender Genexpression und Synapsengenen angesehen, bei denen der Darm wahrscheinlich mit Nerven verbunden ist, damit er mit dem Rest des Körpers kommunizieren kann.
“Wir haben uns Aquaporine angesehen, Proteine, die am Transport von Wasser durch die Darmmembran beteiligt sind.”
Was die Magness-Gruppe herausfand, war eine völlig neue Variationsebene bei potenziellen Funktionen, die zuvor durch das Mischen von Biopsieproben nicht geschätzt worden war.
Forscher färbten Proteine im Dünndarm fluoreszierend. Sie fanden heraus, dass CFTR, ein Gen, das an Mukoviszidose beteiligt ist (grün gefärbt), und FKBP1A, ein Ziel von Arzneimitteln, die Immunzellen beeinflussen sollen (rot gefärbt), beide in einem Zelltyp innerhalb der menschlichen Darmschleimhaut vorhanden sind, was ihre Ergebnisse bestätigt die Einzelzell-Gensequenzierung
Die Forscher untersuchten alle epithelialen Rezeptoren – die Zelloberflächenproteine, die zur Kommunikation mit anderen Zellen und Molekülen und mit der Umgebung des Darms verwendet werden.
Magness und Kollegen konnten sehen, welche Rezeptoren am meisten exprimiert wurden und in welchen Zelltypen, und ein neues Bild davon zeichnen, wie Zellen mit Darminhalten wie Nährstoffen, Mikroben, Toxinen und Medikamenten interagieren könnten.
“Soweit wir wissen, sind wir die ersten, die diese Art von Analyse über den gesamten menschlichen Darm von drei Vollspendern durchführen”, sagte Bliton. “Wir können uns jeden Zelltyp ansehen und vorhersagen, welche Medikamente welchen Zelltyp individuell beeinflussen könnten.”
Magness fügte hinzu: „Wir möchten, dass die wissenschaftliche, medizinische und pharmazeutische Gemeinschaft unsere Erkenntnisse nutzt.
“Wir haben einen analytischen Ansatz gewählt, um jeden Zelltyp methodisch anzugehen, leicht lesbare und zugängliche Tabellenkalkulationen für die meisten Wissenschaftler zu erstellen und mehrere Beispiele dafür zu zeigen, was wir mit dieser Art von hochauflösendem, präzisem Ansatz entdecken können.”
Die Forschung wurde in der Zeitschrift Cellular and Molecular Gastroenterology and Hepatology veröffentlicht.