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已经涉及许多人类 包括炎症性肠病、糖尿病、代谢综合征等在内的疾病。 目前，gnotobiotic动物模型是测试和理解这些的金标准。 相互作用，但动物实验是昂贵的，gnotibiotic殖民地需要大量的 资源我们提出，培养的肠道类器官或“小肠”可以用作 细菌可培养的中间环境和细菌培养的效果 和分泌对哺乳动物基因表达的影响可以在相对较短的时间内监测， 降低成本。我们的方法是共培养工程益生菌， 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开发这项技术： 目的1：建立小肠细胞分化的真实的实时表型表征 全细胞生物传感器来检测。 我们将开发全细胞生物传感器， 分泌物，如氯化物和血清素使用工程益生菌E。大肠杆菌的 这一目标背后的基本原理是，这些分子的分泌是适当的 肠干细胞分化为不同的细胞类型。荧光生物传感器 输出将以真实的实时操作，这将允许分泌表型的动态可视化， 荧光显微镜 目的2：通过分泌小分子和生长因子来改变小肠的生长， 肠道细菌。我们将设计益生菌， 并对干细胞在三维培养中的增殖有积极影响。这一目标的基本原理是 丁酸的分泌，一种关键的代谢产物，是肠道中自然微生物驱动的， 微生物丁酸生产对肠细胞的影响是深远的。此外，我们希望研究 细菌分泌的生长因子R-spondin-R11在小肠中对生长的积极调节 流明 总之，这些目标的成功实施将形成一种强大的共同发展文化 该平台用于优化3D类器官培养物和研究宿主微生物相互作用。

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.