Modelo Alveolus-on-Chip Imunocompetente para Estudo das Respostas Imunes da Mucosa Alveolar

O pulmão humano tem um papel marcante na respiração e na defesa imunológica, com interações complexas entre as respostas imunes da mucosa alveolar¹. A capacidade dos alvéolos de criar uma resposta imune eficiente é vital para prevenir infecções pulmonares e garantir a saúde pulmonar. Como os pulmões estão constantemente expostos a uma ampla gama de riscos potenciais, incluindo bactérias, vírus, fungos, alergias e material particulado, entender as complexidades das respostas imunes da mucosa alveolar é fundamental para descobrir os mecanismos por trás de infecções respiratórias, distúrbios inflamatórios e tratamento de doenças pulmonares¹.

Para estudar os processos relacionados à infecção e inflamação do trato respiratório in vitro, são necessários modelos que possam imitar fielmente o meio alveolar e as respostas imunes. A cultura de células 2D e os módulos animais têm sido usados há décadas como ferramentas essenciais para a pesquisa biomédica sobre a resposta imune pulmonar. No entanto, muitas vezes eles têm limitações em seu potencial de tradução para situações humanas. Os modelos lung-on-chip podem contribuir para preencher a lacuna entre os modelos tradicionais in vitro e in vivo e fornecer uma nova abordagem para estudar as respostas imunes específicas do ser humano ^2,3. Os modelos de pulmão em chip podem imitar a interface ar-líquido, que é necessária para que as células pulmonares recapitulem as condições fisiológicas do trato respiratório e desenvolvam um modelo de tecido mais preciso e robusto. Essa técnica de cultura permite um exame preciso da diferenciação, funcionamento e respostas celulares a drogas ou estímulos relacionados a doenças in vitro².

Neste estudo, apresentamos um modelo baseado em microfluídica do alvéolo humano como uma ferramenta eficaz para recapitular o meio alveolar humano, aplicando perfusão para imitar o fluxo sanguíneo e a estimulação biomecânica das células endoteliais e incorporando uma interface ar-líquido com células epiteliais expostas a uma fase aérea⁴. Desenvolvemos um alvéolo perfundido microfluídico em chip que imita a estrutura física e as interações biológicas do alvéolo humano, com foco particular na interface ar-líquido. Essa interface desempenha um papel crucial na diferenciação das células epiteliais respiratórias, o que é essencial para modelar com precisão o ambiente pulmonar. O modelo usa células epiteliais pulmonares distais humanas (H441) e células endoteliais da veia umbilical humana (HUVECs), separadas por membranas porosas de tereftalato de polietileno (PET), com macrófagos primários derivados de monócitos posicionados entre as camadas celulares. Essa configuração replica o intrincado arranjo celular do alvéolo e é fundamental para simular com precisão a interface ar-líquido, que é um fator significativo na função fisiológica do tecido pulmonar.

A lógica por trás do desenvolvimento do modelo se estende à integração de células imunes circulantes e residentes no tecido. Essa abordagem foi projetada para imitar com precisão a resposta inflamatória do hospedeiro a infecções respiratórias humanas, fornecendo um ambiente dinâmico para estudar as interações patógeno-hospedeiro. A presença de macrófagos permite o exame das respostas imunes imediatas e sua interação com patógenos, refletindo a primeira linha de defesa contra infecções respiratórias. Além disso, o design da plataforma do biochip facilita a manipulação conveniente e precisa de pistas biofísicas e bioquímicas, o que é crucial para replicar a função do alvéolo in vitro. Essa flexibilidade é fundamental para dissecar os fatores que contribuem para infecções humanas, permitindo que os pesquisadores ajustem as condições para refletir vários estados de doença ou testem possíveis intervenções terapêuticas. A compatibilidade da plataforma com várias tecnologias de leitura, incluindo microscopia avançada, análises microbiológicas e análise bioquímica de efluentes, aumenta sua utilidade. Esses recursos permitem uma avaliação abrangente da resposta tecidual a infecções, incluindo a avaliação do comportamento celular, proliferação de patógenos e a eficácia das respostas imunes.

Apresentamos um protocolo detalhado e técnicas para criar e utilizar um modelo de alvéolo humano em chip focado na replicação da interface ar-líquido e na integração de células imunes para estudar infecções humanas in vitro.