Er wordt steeds meer onderzoek gedaan naar ons darmmicrobioom, omdat het een belangrijke rol lijkt te spelen bij ziekten zoals obesitas, inflammatoir darmziekte en diabetes. Het bestuderen van de volwassen darmmicrobiota is echter een uitdaging, omdat deze voornamelijk bestaat uit anaërobe bacteriën, die in zuurstofarme omgevingen leven. 'Het is een bekend probleem dat er beperkte mogelijkheden zijn om deze anaërobe bacteriën te bestuderen', zegt Jianbo Zhang, universitair docent aan ons Swammerdam Institute for Life Sciences.

Onderzoekers gebruiken doorgaans kiemvrije muizen om de functie van de darmmicrobiota op hun gastheer te bestuderen. Omdat dit een lastig proces is en er een verschuiving plaatsvindt naar diervrij onderzoek, zoeken wetenschappers naar alternatieven. Zhang: 'Tijdens mijn promotieonderzoek raakte ik erg geïnteresseerd in het bestuderen van het microbioom, maar ik maakte me zorgen over dierproeven.' Na zijn promotie ging hij werken in het laboratorium van Linda Griffith aan het MIT, waar ze een diervrij miniatuurdarmsysteem ontwikkelden, het GuMI-platform.

GuMI-platform

Het GuMI-platform is een apparaat dat een micro-omgeving creëert voor zowel anaërobe bacteriën als menselijke epitheelcellen. Het apparaat bestaat uit twee compartimenten: een zuurstofarme omgeving voor de bacteriën en een zuurstofrijke omgeving voor de menselijke cellen. Voor beide compartimenten worden omstandigheden zoals de voedingsstoffen en de pH-waarde beheert.

Zhang werkte voornamelijk aan de ontwikkeling van celkweekmethoden en het medium dat geschikt is voor alle celtypen. Samen met zijn MIT-collega's bedacht hij ook relevante biologische vragen die met behulp van het platform beantwoord kunnen worden.

Naar de UvA brengen

Na de publicatie van een belangrijk artikel over het GuMI-platform raakte het apparaatbedrijf CN Bio Innovations geïnteresseerd en nam een ​​patent op het systeem aan. In 2021 kon Zhang het GuMI-platform opzetten aan de UvA, waar hij zijn eigen lab kon vestigen als onderdeel van de afdeling onder leiding van professor Stanley Brul. Naast het apparaat bracht Zhang ook al zijn kennis over het co-kweken van bacteriën en menselijke cellen mee.

Hoewel het vakgebied vooruitgang boekt, is het kweken van zuurstofgevoelige bacteriën nog steeds een grote uitdaging. Zhangs lab aan de UvA is een van de weinige labs ter wereld die heeft aangetoond dit succesvol te kunnen. Zhang: 'Tijdens de ontwikkeling van het GuMI-systeem aan MIT raadpleegde mijn collega topwetenschappers op het gebied van microbioom. Ze zeiden: "Probeer het niet eens, het is tijdverspilling." Ik wist niet van dit gesprek en probeerde deze bacteriën toch te kweken. We hebben veel moeilijkheden gehad, maar uiteindelijk is het ons gelukt.'

Probiotica testen

Hoewel de huidige versie van het GuMI-platform de complexiteit van het volwassen darmmicrobioom niet volledig vastlegt, kan het al voor verschillende toepassingen worden gebruikt, zoals het testen van probiotica. Zhang: 'We hebben twee publiek-private samenwerkingsprojecten, één met DSM-Firmenich en één met een startup in Zwitserland, SURI BioTech. Deze bedrijven produceren beide probiotische supplementen. We gebruiken het GuMI-platform om te testen hoe hun producten of productkandidaten bijvoorbeeld de immuniteit kunnen versterken.'

Zhang maakt ook deel uit van NWO MetaHealth, een consortium dat zich richt op het bestuderen van de stofwisseling en mondgezondheid bij kinderen. Onlangs ontving Zhang een ERC Starting Grant, waarmee zijn team een ​​kiemvrije darm voor baby's zal creëren en deze zal gebruiken om de impact van voeding en vroege bacteriële bewoners op de functie van de darmmicrobiota van baby's, de mucosale barrière en immuuncellen te onderzoeken.

Toekomstige toepassingen

Zhang voorziet in de toekomst een breed scala aan toepassingen voor het GuMI-platform. ‘Ik kan me voorstellen dat het gebruikt kan worden door farmaceutische bedrijven of voor het testen van voeding en levende bacteriën. Hoewel het GuMI-platform geen vervanging zou zijn voor diermodellen in de gezondheidszorg, zou het wel een nuttige aanvulling kunnen zijn.’

Het GuMI-systeem kan ook waardevol zijn voor gepersonaliseerde behandelingen van patiënten. Zhang werkt aan de integratie van immuuncellen in het systeem om de ontwikkeling van het immuunsysteem te bestuderen, met name in de context van inflammatoire darmziekten. Zhang legt uit: ‘In de verre toekomst, als we patiëntweefsel kunnen verkrijgen, kunnen we het GuMI-platform mogelijk gebruiken om te begrijpen waarom sommige patiënten op een bepaalde therapie reageren en andere niet. Deze informatie kan worden gebruikt voor patiëntspecifieke medicijnen of voeding.’