Modello immunocompetente di alveoli su chip per lo studio delle risposte immunitarie della mucosa alveolare

Il polmone umano ha un ruolo notevole nella respirazione e nella difesa immunitaria, con complesse interazioni tra le risposte immunitarie della mucosa alveolare¹. La capacità degli alveoli di creare una risposta immunitaria efficiente è fondamentale per prevenire le infezioni polmonari e garantire la salute polmonare. Poiché i polmoni sono costantemente esposti a un’ampia gamma di potenziali rischi, tra cui batteri, virus, funghi, allergie e particolato, comprendere la complessità delle risposte immunitarie della mucosa alveolare è fondamentale per scoprire i meccanismi alla base delle infezioni respiratorie, dei disturbi infiammatori e del trattamento delle malattie polmonari¹.

Per studiare in vitro i processi correlati all’infezione e all’infiammazione delle vie respiratorie, sono necessari modelli in grado di imitare fedelmente l’ambiente alveolare e le risposte immunitarie. Le colture cellulari 2D e i moduli animali sono stati utilizzati per decenni come strumenti essenziali per la ricerca biomedica sulla risposta immunitaria polmonare. Tuttavia, spesso hanno limitazioni nel loro potenziale traslazionale per le situazioni umane. I modelli Lung-on-chip possono contribuire a colmare il divario tra i tradizionali modelli in vitro e in vivo e fornire un nuovo approccio allo studio delle risposte immunitarie specifiche per l’uomo ^2,3. I modelli lung-on-chip possono imitare l’interfaccia aria-liquido, necessaria alle cellule polmonari per ricapitolare le condizioni fisiologiche del tratto respiratorio e per sviluppare un modello tissutale più accurato e robusto. Questa tecnica di coltura consente un esame preciso della differenziazione cellulare, del funzionamento e delle risposte ai farmaci o agli stimoli correlati alla malattia in vitro².

In questo studio, presentiamo un modello basato sulla microfluidica dell’alveolo umano come strumento efficace per ricapitolare l’ambiente alveolare umano applicando la perfusione per imitare il flusso sanguigno e la stimolazione biomeccanica delle cellule endoteliali e incorporando un’interfaccia aria-liquido con cellule epiteliali esposte verso una fase aerea⁴. Abbiamo sviluppato un alveolo microfluidico perfuso su chip che imita la struttura fisica e le interazioni biologiche dell’alveolo umano, con particolare attenzione all’interfaccia aria-liquido. Questa interfaccia svolge un ruolo cruciale nella differenziazione delle cellule epiteliali respiratorie, essenziale per modellare accuratamente l’ambiente polmonare. Il modello utilizza cellule epiteliali polmonari distali umane (H441) e cellule endoteliali della vena ombelicale umana (HUVECs), separate da membrane porose in polietilene tereftalato (PET), con macrofagi primari derivati da monociti posizionati tra gli strati cellulari. Questa configurazione replica l’intricata disposizione cellulare dell’alveolo ed è fondamentale per simulare accuratamente l’interfaccia aria-liquido, che è un fattore significativo nella funzione fisiologica del tessuto polmonare.

Il razionale alla base dello sviluppo del modello si estende all’integrazione delle cellule immunitarie circolanti e residenti nei tessuti. Questo approccio è progettato per imitare accuratamente la risposta infiammatoria dell’ospite alle infezioni respiratorie umane, fornendo un ambiente dinamico per studiare le interazioni patogeno-ospite. La presenza di macrofagi consente l’esame delle risposte immunitarie immediate e della loro interazione con i patogeni, riflettendo la prima linea di difesa contro le infezioni respiratorie. Inoltre, il design della piattaforma di biochip facilita la manipolazione comoda e precisa di segnali biofisici e biochimici, che è fondamentale per replicare la funzione degli alveoli in vitro. Questa flessibilità è fondamentale per sezionare i fattori che contribuiscono alle infezioni umane, consentendo ai ricercatori di regolare le condizioni per riflettere vari stati patologici o di testare potenziali interventi terapeutici. La compatibilità della piattaforma con diverse tecnologie di lettura, tra cui la microscopia avanzata, le analisi microbiologiche e l’analisi biochimica degli effluenti, ne migliora l’utilità. Queste capacità consentono una valutazione completa della risposta tissutale alle infezioni, compresa la valutazione del comportamento cellulare, della proliferazione dei patogeni e dell’efficacia delle risposte immunitarie.

Presentiamo un protocollo dettagliato e tecniche per creare e utilizzare un modello di alveolo umano su chip incentrato sulla replicazione dell’interfaccia aria-liquido e sull’integrazione delle cellule immunitarie per studiare le infezioni umane in vitro.