Nanomateriaal beïnvloedt de interacties van het darmmicrobioom en het immuunsysteem

AhR-afhankelijke veranderingen in het darmmicrobioom van volwassen zebravissen. aExperimenteel ontwerp voor het zevendaagse blootstellingsregime bij volwassen zebravissen (WT en ahr2^+/−). b, De meest voorkomende bacteriestam van de darmmicrobiota onder genotypen en behandelingen. Elke balk vertegenwoordigt het gemiddelde van zes individuen in elke conditie. c,dRelatieve phylum-abundantie van Fusobacteriota (c) en proteobacteriën (d) in WT versus ahr2^+/− vissen blootgesteld aan GO. De foutbalken vertegenwoordigen de gemiddelde waarden ± sd van zes personen. Significante verschillen tussen de behandelingen en genotypen worden getoond. Variantieanalyse in twee richtingen met Tukey’s test voor meervoudige vergelijkingen werd gebruikt om de statistische verschillen te analyseren (Fusobacteriota, **p = 0,0065, #p= 0,0265; Proteobacteriën, **p = 0,0055, #p= 0,0186). eBegeleide analyses van de samenstelling van de microbiota tussen de twee genotypen. f,gImpact van GO op de samenstelling van de darmmicrobiota bij WT (f) en ahr2^+/− (g) zebravis. dbRDA, op afstand gebaseerde redundantieanalyse. Credit: Natuur Nanotechnologie(2022). DOI: 10.1038/s41565-022-01260-8

Het nanomateriaal grafeenoxide – dat in alles wordt gebruikt, van elektronica tot sensoren voor biomoleculen – kan indirect het immuunsysteem beïnvloeden via het darmmicrobioom, zoals blijkt uit een nieuwe studie over zebravissen door onderzoekers van het Karolinska Institutet in Zweden. De bevindingen worden gerapporteerd in het tijdschrift Natuur Nanotechnologie.

“Dit toont aan dat we het darmmicrobioom moeten betrekken bij ons begrip van hoe nanomaterialen het immuunsysteem beïnvloeden”, zegt de corresponderende auteur van het artikel, Bengt Fadeel, professor aan het Institute of Environmental Medicine, Karolinska Institutet. “Onze resultaten zijn belangrijk voor het identificeren van de mogelijke nadelige effecten van nanomateriaal en het verminderen of voorkomen van dergelijke effecten in nieuwe materialen.”

Grafeen is een extreem dun materiaal, een miljoen keer dunner dan een mensenhaar. Het bestaat uit een enkele laag koolstofatomen en is sterker dan staal, maar toch flexibel, transparant en elektrisch geleidend. Dit maakt het uiterst nuttig in een groot aantal toepassingen, waaronder in “slim” textiel dat is uitgerust met draagbare elektronica en als onderdeel van composietmaterialen, om de sterkte en geleidbaarheid van bestaande materialen te verbeteren.

Met het toegenomen gebruik van op grafeen gebaseerde nanomaterialen moet worden onderzocht hoe deze nieuwe materialen het lichaam beïnvloeden. Van nanomaterialen is al bekend dat ze invloed hebben op het immuunsysteem, en enkele onderzoeken van de afgelopen jaren hebben aangetoond dat ze ook invloed kunnen hebben op het darmmicrobioom, de bacteriën die van nature in het maagdarmkanaal voorkomen.

De relatie tussen nanomateriaal, darmmicrobioom en immuniteit is het onderwerp geweest van de huidige studie die is uitgevoerd met zebravissen. Het onderzochte nanomateriaal was grafeenoxide, dat kan worden omschreven als een familielid van grafeen dat bestaat uit koolstofatomen en zuurstofatomen. In tegenstelling tot grafeen is grafeenoxide oplosbaar in water en interessant voor medisch onderzoek, bijvoorbeeld als middel om medicijnen in het lichaam af te geven.

In het onderzoek stelden de onderzoekers volwassen zebravissen via het water bloot aan grafeenoxide en analyseerden hoe dit de samenstelling van het microbioom beïnvloedt. Ze gebruikten zowel normale vissen als vissen zonder een receptormolecuul in hun darmcellen, de arylkoolwaterstofreceptor genaamd, gewoonlijk afgekort als AhR, een receptor voor verschillende endogene en bacteriële metabolieten.

“We konden aantonen dat de samenstelling van het darmmicrobioom veranderde toen we de vissen blootstelden aan grafeenoxide, zelfs bij een lage dosis, en dat de AhR ook het darmmicrobioom beïnvloedde”, zegt de eerste auteur van het onderzoek, Guotao Peng, postdoc-onderzoeker. aan het Instituut voor Milieugeneeskunde aan het Karolinska Institutet.

De onderzoekers hebben ook zebravislarven gegenereerd die een volledig natuurlijk darmmicrobioom missen, wat het mogelijk maakt om de effecten van individuele microbioomcomponenten te bestuderen, in dit geval boterzuur (een vetzuur), dat wordt uitgescheiden door bepaalde soorten darmbacteriën. Van boterzuur is bekend dat het zich kan binden aan AhR.

Daarbij ontdekten de onderzoekers dat de combinatie van grafeenoxide en boterzuur aanleiding gaf tot zogenaamde type 2-immuniteit bij de vissen. Het effect bleek afhankelijk te zijn van de expressie van AhR in de darmcellen.

“Dit type immuniteit wordt normaal gesproken gezien als een reactie op een parasitaire infectie. Onze interpretatie is dat de immuunrespons van de darm grafeenoxide op dezelfde manier kan verwerken als een parasiet”, zegt Guotao Peng.

Met behulp van een geavanceerde methode om de immuuncellen in kaart te brengen, konden de onderzoekers ook aantonen dat een onderdeel van het immuunsysteem, de aangeboren lymfoïde cellen genaamd, wordt aangetroffen in zebravislarven.

“Hieruit blijkt dat de zebravis een goed model is om het immuunsysteem te bestuderen, inclusief het primitieve of aangeboren immuunsysteem”, zegt Bengt Fadeel.