Modelo de alvéolo en chip inmunocompetente para el estudio de las respuestas inmunitarias de la mucosa alveolar

El pulmón humano tiene un papel notable en la respiración y la defensa inmunitaria, con interacciones complejas entre las respuestas inmunitarias de la mucosa alveolar¹. La capacidad de los alvéolos para crear una respuesta inmunitaria eficiente es vital para prevenir infecciones pulmonares y garantizar la salud pulmonar. Dado que los pulmones están constantemente expuestos a una amplia gama de riesgos potenciales, incluidas bacterias, virus, hongos, alergias y partículas, comprender las complejidades de las respuestas inmunitarias de la mucosa alveolar es fundamental para descubrir los mecanismos detrás de las infecciones respiratorias, los trastornos inflamatorios y el tratamiento^{de las enfermedades} pulmonares.

Para estudiar in vitro los procesos relacionados con la infección y la inflamación de las vías respiratorias, se requieren modelos que puedan imitar fielmente el medio alveolar y las respuestas inmunitarias. Los módulos de cultivo celular y animal en 2D se han utilizado durante décadas como herramientas esenciales para la investigación biomédica sobre la respuesta inmunitaria pulmonar. Sin embargo, a menudo tienen limitaciones en su potencial de traducción a situaciones humanas. Los modelos lung-on-chip pueden contribuir a llenar el vacío entre los modelos tradicionales in vitro e in vivo y proporcionar un enfoque novedoso para estudiar las respuestas inmunitarias específicas de los humanos ^2,3. Los modelos de pulmón en chip pueden imitar la interfaz aire-líquido, que es necesaria para que las células pulmonares recapitulen las condiciones fisiológicas del tracto respiratorio y desarrollen un modelo de tejido más preciso y robusto. Esta técnica de cultivo permite un examen preciso de la diferenciación, el funcionamiento y las respuestas celulares a fármacos o estímulos relacionados con enfermedades in vitro².

En este estudio, presentamos un modelo basado en microfluídica del alvéolo humano como una herramienta eficaz para recapitular el medio alveolar humano mediante la aplicación de perfusión para imitar el flujo sanguíneo y la estimulación biomecánica de las células endoteliales e incorporando una interfaz aire-líquido con células epiteliales expuestas hacia una fase^{de aire 4}. Hemos desarrollado un alvéolo microfluídico perfundido en chip que imita la estructura física y las interacciones biológicas del alvéolo humano, con un enfoque particular en la interfaz aire-líquido. Esta interfaz desempeña un papel crucial en la diferenciación de las células epiteliales respiratorias, que es esencial para modelar con precisión el entorno pulmonar. El modelo utiliza células epiteliales pulmonares distales humanas (H441) y células endoteliales de la vena umbilical humana (HUVEC), separadas por membranas porosas de tereftalato de polietileno (PET), con macrófagos primarios derivados de monocitos colocados entre las capas celulares. Esta configuración replica la intrincada disposición celular del alvéolo y es fundamental para simular con precisión la interfaz aire-líquido, que es un factor importante en la función fisiológica del tejido pulmonar.

La razón de ser del desarrollo del modelo se extiende a la integración de las células inmunitarias circulantes y residentes en los tejidos. Este enfoque está diseñado para imitar con precisión la respuesta inflamatoria del huésped a las infecciones respiratorias humanas, proporcionando un entorno dinámico para estudiar las interacciones patógeno-huésped. La presencia de macrófagos permite examinar las respuestas inmunitarias inmediatas y su interacción con los patógenos, lo que refleja la primera línea de defensa contra las infecciones respiratorias. Además, el diseño de la plataforma de biochip facilita la manipulación cómoda y precisa de las señales biofísicas y bioquímicas, lo que es crucial para replicar la función de los alvéolos in vitro. Esta flexibilidad es fundamental para diseccionar los factores que contribuyen a las infecciones humanas, lo que permite a los investigadores ajustar las condiciones para reflejar diversos estados de enfermedad o probar posibles intervenciones terapéuticas. La compatibilidad de la plataforma con múltiples tecnologías de lectura, incluida la microscopía avanzada, los análisis microbiológicos y el análisis bioquímico de efluentes, mejora su utilidad. Estas capacidades permiten una evaluación exhaustiva de la respuesta de los tejidos a las infecciones, incluida la evaluación del comportamiento celular, la proliferación de patógenos y la eficacia de las respuestas inmunitarias.

Presentamos un protocolo detallado y técnicas para crear y utilizar un modelo de alvéolo humano en chip centrado en replicar la interfaz aire-líquido e integrar células inmunitarias para estudiar las infecciones humanas in vitro.