Иммунокомпетентная модель альвеолы на чипе для изучения иммунных реакций альвеолярной слизистой оболочки

Легкое человека играет замечательную роль в дыхании и иммунной защите, со сложными взаимодействиями между иммунными реакциями альвеолярной слизистой оболочки¹. Способность альвеол создавать эффективный иммунный ответ жизненно важна для предотвращения инфекций легких и обеспечения здоровья легких. Поскольку легкие постоянно подвергаются воздействию широкого спектра потенциальных рисков, включая бактерии, вирусы, грибки, аллергии и твердые частицы, понимание сложностей иммунных реакций слизистых оболочек альвеол имеет решающее значение для выявления механизмов респираторных инфекций, воспалительных заболеваний и лечения легочных^{заболеваний.}

Для изучения инфекций и воспалительных процессов дыхательных путей in vitro требуются модели, которые могли бы точно имитировать альвеолярную среду и иммунные реакции. Двухмерные клеточные культуры и модули животных на протяжении десятилетий использовались в качестве важных инструментов для биомедицинских исследований иммунного ответа легких. Тем не менее, они часто имеют ограничения в своем трансляционном потенциале в человеческих ситуациях. Модели «легкое на чипе» могут способствовать заполнению пробела между традиционными моделями in vitro и in vivo и обеспечить новый подход к изучению специфических иммунных реакций человека ^2,3. Модели «легкое на чипе» могут имитировать границу раздела воздух-жидкость, которая необходима клеткам легких для повторения физиологических условий дыхательных путей и разработки более точной и надежной модели ткани. Этот метод культивирования позволяет точно исследовать дифференцировку, функционирование и реакцию клеток на лекарства или стимулы, связанные с заболеванием, in vitro 2.

В этом исследовании мы представляем микрофлюидную модель альвеолы человека в качестве эффективного инструмента для повторения альвеолярной среды человека путем применения перфузии для имитации кровотока и биомеханической стимуляции эндотелиальных клеток, а также включения воздушно-жидкостного интерфейса с эпителиальными клетками, подвергшимися воздействию воздушной фазы⁴. Мы разработали микрофлюидную перфузную альвеолу на кристалле, которая имитирует физическую структуру и биологические взаимодействия альвеолы человека, уделяя особое внимание границе раздела воздух-жидкость. Этот интерфейс играет решающую роль в дифференцировке эпителиальных клеток дыхательных путей, что имеет важное значение для точного моделирования легочной среды. В модели используются эпителиальные клетки дистального отдела легких человека (H441) и эндотелиальные клетки пупочной вены человека (HUVECs), разделенные пористыми мембранами из полиэтилентерефталата (ПЭТ), с первичными макрофагами, полученными из моноцитов, расположенными между слоями клеток. Эта установка воспроизводит сложное клеточное расположение альвеолы и имеет решающее значение для точного моделирования границы раздела воздух-жидкость, которая является важным фактором физиологической функции легочной ткани.

Обоснование разработки модели распространяется на интеграцию как циркулирующих, так и тканевых резидентных иммунных клеток. Этот подход предназначен для точной имитации воспалительной реакции хозяина на респираторные инфекции человека, обеспечивая динамическую среду для изучения взаимодействий патогена и хозяина. Присутствие макрофагов позволяет исследовать непосредственные иммунные реакции и их взаимодействие с патогенами, отражая первую линию защиты от респираторных инфекций. Кроме того, конструкция платформы биочипа способствует удобному и точному манипулированию как биофизическими, так и биохимическими сигналами, что имеет решающее значение для репликации функции альвеол in vitro. Такая гибкость играет важную роль в анализе факторов, способствующих инфицированию человека, позволяя исследователям корректировать условия в соответствии с различными состояниями заболевания или тестировать потенциальные терапевтические вмешательства. Совместимость платформы с несколькими технологиями считывания, включая передовую микроскопию, микробиологический анализ и биохимический анализ сточных вод, повышает ее полезность. Эти возможности позволяют всесторонне оценить реакцию тканей на инфекции, включая оценку клеточного поведения, пролиферации патогенов и эффективности иммунных реакций.

Мы представляем подробный протокол и методы создания и использования модели альвеолы на чипе человека, ориентированной на репликацию границы раздела воздух-жидкость и интеграцию иммунных клеток для изучения инфекций человека in vitro.