Modèle d’alvéole sur puce immunocompétent pour l’étude des réponses immunitaires de la muqueuse alvéolaire

Le poumon humain joue un rôle remarquable dans la respiration et la défense immunitaire, avec des interactions complexes entre les réponses immunitaires de la muqueuse alvéolaire¹. La capacité des alvéoles à créer une réponse immunitaire efficace est essentielle pour prévenir les infections pulmonaires et assurer la santé pulmonaire. Étant donné que les poumons sont constamment exposés à un large éventail de risques potentiels, notamment les bactéries, les virus, les champignons, les allergies et les particules, il est essentiel de comprendre les complexités des réponses immunitaires de la muqueuse alvéolaire pour découvrir les mécanismes à l’origine des infections respiratoires, des troubles inflammatoires et du traitement des maladies pulmonaires¹.

Pour étudier in vitro les processus liés à l’infection et à l’inflammation des voies respiratoires, il est nécessaire d’utiliser des modèles capables d’imiter fidèlement le milieu alvéolaire et les réponses immunitaires. La culture cellulaire 2D et les modules animaux sont utilisés depuis des décennies comme outils essentiels pour la recherche biomédicale sur la réponse immunitaire pulmonaire. Cependant, ils ont souvent des limites dans leur potentiel de traduction dans des situations humaines. Les modèles de poumons sur puce peuvent contribuer à combler le vide entre les modèles in vitro et in vivo traditionnels et fournir une nouvelle approche pour étudier les réponses immunitaires spécifiques à l’homme ^2,3. Les modèles de poumons sur puce peuvent imiter l’interface air-liquide, qui est nécessaire aux cellules pulmonaires pour récapituler les conditions physiologiques des voies respiratoires et développer un modèle tissulaire plus précis et plus robuste. Cette technique de culture permet d’examiner avec précision la différenciation cellulaire, le fonctionnement et les réponses aux médicaments ou aux stimuli liés à la maladie in vitro².

Dans cette étude, nous présentons un modèle microfluidique de l’alvéole humaine comme outil efficace pour récapituler le milieu alvéolaire humain en appliquant une perfusion pour imiter le flux sanguin et une stimulation biomécanique des cellules endothéliales et en incorporant une interface air-liquide avec des cellules épithéliales exposées vers une phase⁴ de l’air. Nous avons développé une alvéole microfluidique perfusée sur puce qui imite la structure physique et les interactions biologiques de l’alvéole humaine, en mettant l’accent sur l’interface air-liquide. Cette interface joue un rôle crucial dans la différenciation des cellules épithéliales respiratoires, ce qui est essentiel pour modéliser avec précision l’environnement pulmonaire. Le modèle utilise des cellules épithéliales pulmonaires distales humaines (H441) et des cellules endothéliales de la veine ombilicale humaine (HUVEC), séparées par des membranes poreuses en polyéthylène téréphtalate (PET), avec des macrophages primaires dérivés de monocytes positionnés entre les couches cellulaires. Cette configuration reproduit l’arrangement cellulaire complexe de l’alvéole et est essentielle pour simuler avec précision l’interface air-liquide, qui est un facteur important dans la fonction physiologique du tissu pulmonaire.

La raison d’être du développement du modèle s’étend à l’intégration des cellules immunitaires circulantes et tissulaires. Cette approche est conçue pour imiter avec précision la réponse inflammatoire de l’hôte aux infections respiratoires humaines, fournissant un environnement dynamique pour étudier les interactions pathogène-hôte. La présence de macrophages permet d’examiner les réponses immunitaires immédiates et leur interaction avec les agents pathogènes, reflétant la première ligne de défense contre les infections respiratoires. De plus, la conception de la plate-forme de biopuce facilite la manipulation pratique et précise des signaux biophysiques et biochimiques, ce qui est crucial pour reproduire la fonction de l’alvéole in vitro. Cette flexibilité est essentielle pour disséquer les facteurs contribuant aux infections humaines, ce qui permet aux chercheurs d’ajuster les conditions pour refléter divers états pathologiques ou de tester des interventions thérapeutiques potentielles. La compatibilité de la plate-forme avec de multiples technologies de lecture, notamment la microscopie avancée, les analyses microbiologiques et l’analyse des effluents biochimiques, renforce son utilité. Ces capacités permettent une évaluation complète de la réponse tissulaire aux infections, y compris l’évaluation du comportement cellulaire, de la prolifération des agents pathogènes et de l’efficacité des réponses immunitaires.

Nous présentons un protocole et des techniques détaillés pour créer et utiliser un modèle d’alvéole humaine sur puce axé sur la réplication de l’interface air-liquide et l’intégration de cellules immunitaires pour étudier les infections humaines in vitro.