Co-culture of probiotic bacteria for growth factor delivery in minigut organoids

项目摘要    肠道细菌和肠道细胞之间的相互作用与许多人类疾病有关  疾病包括炎症性肠病、糖尿病、代谢综合征等等。  目前，知生动物模型是测试和理解这些疾病的黄金标准  相互作用，但动物实验成本高昂，而且抗生素菌落需要大量的  资源。 我们建议培养的肠类器官或“小肠”可以用作  细菌培养的中间环境及细菌培养的效果  并且可以在相对较短的时间内监测哺乳动物基因表达的分泌，并且  降低成本。 我们的方法是共培养工程益生菌，以准确监测  并积极影响 3D 培养中肠上皮细胞的发育。    我们建议通过以下具体目标来开发这项技术：  目标 1：建立小肠细胞分化的实时表型表征  通过工程设计的全细胞生物传感器。  我们将开发用于肠道的全细胞生物传感器  使用工程益生菌大肠杆菌产生氯化物和血清素等分泌物。 的  这一目标背后的基本原理是这些分子的分泌是适当的指示  将肠道干细胞分化为不同的细胞类型。 带有荧光的生物传感器  输出将实时运行，这将允许分泌表型的动态可视化  荧光显微镜。    目标 2：通过分泌小分子和生长因子来改变小肠的生长  共生细菌。 我们将设计益生菌来传递具有负面影响的分子  并对 3D 培养中干细胞的增殖产生积极影响。 这一目标的理由是  丁酸盐是一种关键代谢物，其分泌自然是由肠道和肠道中的微生物驱动的  微生物产生的丁酸对肠道细胞的影响是深远的。 此外，我们希望学习  小肠中细菌分泌生长因子 R-spondin-1 对生长的正向调节  流明。    总而言之，成功实现这些目标将形成强大的共文化  用于优化 3D 类器官培养和研究宿主-微生物相互作用的平台。

PROJECT SUMMARY    Interactions between gut bacteria and intestinal cells have been implicated in many human  diseases including inflammatory bowel disease, diabetes,metabolic syndrome, and many more.  Currently, gnotobiotic animal models are the gold standard for testing and understanding these  interactions, but animal experiments are costly and gnotibiotic colonies require large amounts of  resources. We propose that cultured intestinal organoids or "miniguts" can be used as an  intermediate environment in whichbacteria can be cultured and the effect of bacterial culture  and secretion on mammalian gene expression can be monitored at relatively shorter times and  lower costs. Our approach is to co-­culture engineered probiotic bacteria to accurately monitor  and actively influence the development of intestinal epithelial cells in 3D culture.    We propose to develop this technology via the following Specific Aims:  Aim 1: Establish real-­time phenotypic characterization of cell differentiation in miniguts  by engineered whole-­cell biosensors.  We will develop whole cell biosensors for intestinal  secretions such as chloride and serotonin using engineered probiotic E. coli bacteria. The  rationale behind this aim is that secretion of these molecules is an indication of proper  differentiation of intestinal stem cells into distinct cell types. The biosensor with fluorescent  output will operate in real-­time which will allow dynamic visualization of secretion phenotypes by  fluorescence microscopy.    Aim 2: Alter minigut growth by secretion of small molecules and growth factors from  commensal bacteria. We will engineer probiotic bacteria to deliver molecules that negatively  and positively influence the proliferation of stem cells in 3D culture. The rationale of this aim is  that secretion of butyrate, a key metabolite, is naturally microbially-­driven in the gut and the  effect of microbial butyrate production on gut cells is profound. In addition, we wish to study  positive regulation of growth by bacterial secretion the growth factor R-­spondin-­1 in the minigut  lumen.    Taken together, successful implementation of these aims will develop a robust co-­culture  platform for the optimization of 3D organoid cultures and the study of host-­microbe interactions.