Darmmikrobiom und Knorpel: Neuer Chip zeigt Schutz vor Entzündung

Die Erforschung von Knorpelerkrankungen und der komplexen Wechselwirkungen im menschlichen Organismus erhält neue methodische Impulse. Ein Forschungsteam der Chinesischen Universität Hongkong (CUHK) unter der Leitung von Prof. Alan Li Zhong aus dem Bereich Biomedizintechnik hat eine neuartige mikrofluidische Plattform entwickelt, die gezielt die funktionelle Achse zwischen Darmmikrobiom und Gelenkknorpel abbildet. Das System simuliert physiologische Schnittstellen und ermöglicht tiefere Einblicke in die systemische Entstehung von Gewebedegenerationen.

Simulation der Darm-Knorpel-Achse auf einem Mikrofluidik-Chip

Die neu entwickelte Plattform, bezeichnet als „microbe-gut-cartilage axis-on-a-chip“ (MGCAoC), basiert vollständig auf humanen Zellen. Sie verknüpft Darmmikroben, das Darmepithel sowie humane Knorpel-Organoide miteinander.

Eine besondere technische Herausforderung bestand darin, eine anoxisch-oxische Grenzfläche unter kontinuierlichen Flussbedingungen zu etablieren. Auf diese Weise können die anaeroben Bedingungen der bakteriellen Besiedlung mit den Anforderungen des sauerstoffversorgten menschlichen Zellgewebes kombiniert werden.

Wie die Arbeitsgruppe in der Fachzeitschrift Science Advances darlegte, dient das System dazu, die zelluläre Kommunikation über weite physiologische Distanzen hinweg präzise im Labor nachzuvollziehen.

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Einfluss von mikrobiellen Stoffwechselprodukten auf Knorpelstrukturen

In den Versuchsreihen mit der Plattform untersuchte das Team um Prof. Alan Li Zhong unter anderem die Wirkung von Metaboliten probiotischer Bakterien. Dabei zeigte sich ein messbarer biologischer Effekt: Die Metabolite führten zu einem Anstieg anaboler Knorpelmarker wie Kollagen Typ II und Aggrekan, während Marker für den Gewebeabbau sanken.

Wurde das System künstlich entzündlichen Bedingungen ausgesetzt, wiesen die Knorpel-Organoide unter dem Einfluss der Stoffwechselprodukte eine verringerte Entzündungsreaktion auf. Gleichzeitig blieb die Knorpelstruktur besser erhalten. Diese schützenden Effekte ließen sich auch anhand von Knorpel-Organoiden bestätigen, die aus Patientengeweben gewonnen worden waren; auch dort traten verringerte Entzündungs- und Degenerationsmarker zutage.

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Molekulare Signalwege im Fokus der Multi-Omics-Analysen

Um die zugrundeliegenden biochemischen Mechanismen aufzuschlüsseln, setzte die CUHK-Forschungsgruppe Multi-Omics-Analysen ein. Die Daten deuten darauf hin, dass die beobachteten Wirkungen über spezifische intrazelluläre Kaskaden vermittelt werden. Konkret identifizierten die Forschenden die Beteiligung der Signalwege PI3K/AKT sowie MAPK/ERK an den zellulären Schutzprozessen.

Mit dem Chip-System steht der Knorpelforschung damit ein differenziertes In-vitro-Modell zur Verfügung, um künftig therapeutische Ansatzpunkte, metabolische Einflüsse und Wechselwirkungen zwischen Mikrobiom und Skelettsystem ohne Tierversuche systematisch zu analysieren.