Immunocompetent alveolus-op-chip-model voor het bestuderen van alveolaire mucosale immuunresponsen

De menselijke long speelt een opmerkelijke rol bij de ademhaling en de immuunafweer, met complexe interacties tussen de immuunresponsen van het alveolaire slijmvlies¹. Het vermogen van de longblaasjes om een efficiënte immuunrespons te creëren is van vitaal belang voor het voorkomen van longinfecties en het veiligstellen van de longgezondheid. Aangezien de longen voortdurend worden blootgesteld aan een breed scala aan potentiële risico’s, waaronder bacteriën, virussen, schimmels, allergieën en fijnstof, is het begrijpen van de complexiteit van alveolaire mucosale immuunresponsen van cruciaal belang voor het ontdekken van de mechanismen achter luchtweginfecties, ontstekingsaandoeningen en de behandeling van^longziekten.

Om infectie- en ontstekingsgerelateerde processen van de luchtwegen in vitro te bestuderen, zijn modellen nodig die het alveolaire milieu en de immuunresponsen getrouw kunnen nabootsen. 2D-celkweek en diermodules worden al tientallen jaren gebruikt als essentiële hulpmiddelen voor biomedisch onderzoek naar de immuunrespons van de longen. Ze hebben echter vaak beperkingen in hun translatiepotentieel naar menselijke situaties. Long-op-chip-modellen kunnen bijdragen aan het dichten van de kloof tussen traditionele in-vitro– en in-vivomodellen en een nieuwe benadering bieden voor het bestuderen van mensspecifieke immuunresponsen ^2,3. Long-op-chip-modellen kunnen de lucht-vloeistofinterface nabootsen, die longcellen nodig hebben om fysiologische omstandigheden van de luchtwegen te recapituleren en om een nauwkeuriger en robuuster weefselmodel te ontwikkelen. Deze kweektechniek maakt een nauwkeurig onderzoek mogelijk van celdifferentiatie, functioneren en reacties op geneesmiddelen of ziektegerelateerde stimuli in vitro².

In deze studie presenteren we een op microfluïdisch gebaseerd model van de menselijke alveolus als een effectief hulpmiddel om het menselijke alveolaire milieu te recapituleren door perfusie toe te passen om de bloedstroom na te bootsen en biomechanische stimulatie van endotheelcellen en een lucht-vloeistofinterface op te nemen met epitheelcellen die zijn blootgesteld aan een luchtfase⁴. We hebben een microfluïdisch geperfundeerd alveolus-op-chip ontwikkeld dat de fysieke structuur en biologische interacties van de menselijke longblaasjes nabootst, met een bijzondere focus op de lucht-vloeistofinterface. Deze interface speelt een cruciale rol bij de differentiatie van respiratoire epitheelcellen, wat essentieel is voor het nauwkeurig modelleren van de longomgeving. Het model maakt gebruik van menselijke distale longepitheelcellen (H441) en menselijke navelstrengader-endotheelcellen (HUVEC’s), gescheiden door poreuze polyethyleentereftalaat (PET) membranen, met primaire monocyt-afgeleide macrofagen tussen de cellagen. Deze opstelling repliceert de ingewikkelde cellulaire rangschikking van de longblaasjes en is van cruciaal belang voor het nauwkeurig simuleren van de lucht-vloeistofinterface, die een belangrijke factor is in de fysiologische functie van longweefsel.

De grondgedachte achter de modelontwikkeling strekt zich uit tot de integratie van zowel circulerende als weefsel-residente immuuncellen. Deze benadering is ontworpen om de inflammatoire gastheerrespons op menselijke luchtweginfecties nauwkeurig na te bootsen en een dynamische omgeving te bieden om interacties tussen ziekteverwekkers en gastheren te bestuderen. De aanwezigheid van macrofagen maakt het mogelijk om onmiddellijke immuunresponsen en hun interactie met ziekteverwekkers te onderzoeken, wat de eerste verdedigingslinie tegen luchtweginfecties weerspiegelt. Bovendien vergemakkelijkt het ontwerp van het biochipplatform een gemakkelijke en nauwkeurige manipulatie van zowel biofysische als biochemische signalen, wat cruciaal is voor het repliceren van de alveolusfunctie in vitro. Deze flexibiliteit is van groot belang bij het ontleden van de factoren die bijdragen aan menselijke infecties, waardoor onderzoekers de omstandigheden kunnen aanpassen om verschillende ziektetoestanden weer te geven of om potentiële therapeutische interventies te testen. De compatibiliteit van het platform met meerdere uitleestechnologieën, waaronder geavanceerde microscopie, microbiologische analyses en biochemische afvalwateranalyse, vergroot de bruikbaarheid ervan. Deze mogelijkheden maken een uitgebreide beoordeling van de weefselrespons op infecties mogelijk, inclusief het evalueren van cellulair gedrag, proliferatie van pathogenen en de effectiviteit van immuunresponsen.

We presenteren een gedetailleerd protocol en technieken om een menselijk alveolus-op-chip-model te creëren en te gebruiken, gericht op het repliceren van de lucht-vloeistofinterface en het integreren van immuuncellen om menselijke infecties in vitro te bestuderen.