מודל Alveolus-on-Chip חיסוני לחקר תגובות חיסוניות של נאדיות

לריאה האנושית יש תפקיד יוצא דופן בנשימה ובהגנה החיסונית, עם אינטראקציות מורכבות בין התגובות החיסוניות של רירית הנאדית¹. היכולת של הנאדיות ליצור תגובה חיסונית יעילה חיונית למניעת דלקות ריאה ולהבטחת בריאות הריאות. מכיוון שהריאות חשופות כל הזמן למגוון רחב של סיכונים פוטנציאליים, כולל חיידקים, וירוסים, פטריות, אלרגיות וחומר חלקיקי, הבנת המורכבות של תגובות החיסון של רירית הנאדיות היא קריטית לגילוי המנגנונים מאחורי זיהומים בדרכי הנשימה, הפרעות דלקתיות וטיפול במחלות ריאה¹.

כדי לחקור זיהומים ותהליכים הקשורים לדלקת של דרכי הנשימה במבחנה, נדרשים מודלים שיכולים לחקות נאמנה את הסביבה הנאדית ואת התגובות החיסוניות. תרביות תאים דו-ממדיות ומודולים של בעלי חיים שימשו במשך עשרות שנים ככלים חיוניים למחקר ביו-רפואי על תגובה חיסונית ריאתית. עם זאת, לעתים קרובות יש להם מגבלות בפוטנציאל התרגום שלהם למצבים אנושיים. מודלים של ריאות על שבב יכולים לתרום למילוי הפער בין מודלים מסורתיים במבחנה ו-in vivo ולספק גישה חדשנית לחקר תגובות חיסוניות ספציפיות לבני אדם ^2,3. מודלים של ריאות על שבב יכולים לחקות את ממשק האוויר-נוזל, הנדרש לתאי הריאה כדי לשחזר מצבים פיזיולוגיים של דרכי הנשימה ולפתח מודל רקמות מדויק וחזק יותר. טכניקת תרבית זו מאפשרת בחינה מדויקת של התמיינות תאים, תפקודם ותגובות לתרופות או גירויים הקשורים למחלות במבחנה².

במחקר זה, אנו מציגים מודל מבוסס מיקרופלואידים של הנאדיות האנושיות ככלי יעיל לשחזור הסביבה הנאדית האנושית על ידי הפעלת זילוח כדי לחקות זרימת דם וגירוי ביומכני של תאי אנדותל ושילוב ממשק אוויר-נוזל עם תאי אפיתל שנחשפו לקראת שלב^{אוויר 4}. פיתחנו נאדיות על שבב מיקרופלואידיות המחקות את המבנה הפיזי ואת האינטראקציות הביולוגיות של הנאדיות האנושיות, עם דגש מיוחד על ממשק אוויר-נוזל. ממשק זה ממלא תפקיד מכריע בהתמיינות תאי אפיתל נשימתיים, החיוניים למידול מדויק של הסביבה הריאתית. המודל משתמש בתאי אפיתל ריאה דיסטליים אנושיים (H441) ובתאי אנדותל של ורידים טבוריים אנושיים (HUVECs), המופרדים על ידי קרומי פוליאתילן טרפתאלט נקבוביים (PET), עם מקרופאגים ראשוניים שמקורם במונוציטים הממוקמים בין שכבות התא. מערך זה משכפל את הסידור התאי המורכב של הנאדיות והוא קריטי להדמיה מדויקת של ממשק אוויר-נוזל, המהווה גורם משמעותי בתפקוד הפיזיולוגי של רקמת הריאה.

הרציונל מאחורי פיתוח המודל משתרע על שילוב הן של תאים חיסוניים במחזור הדם והן של תאי חיסון השוכנים ברקמות. גישה זו נועדה לחקות במדויק את תגובת המאכסן הדלקתי לזיהומים בדרכי הנשימה בבני אדם, ולספק סביבה דינמית לחקר אינטראקציות פתוגן-מארח. נוכחותם של מקרופאגים מאפשרת לבחון תגובות חיסוניות מיידיות ואת האינטראקציה שלהן עם פתוגנים, המשקפת את קו ההגנה הראשון מפני זיהומים בדרכי הנשימה. יתר על כן, העיצוב של פלטפורמת השבב הביולוגי מאפשר מניפולציה נוחה ומדויקת של רמזים ביופיזיים וביוכימיים כאחד, שהיא חיונית לשכפול תפקוד הנאדיות במבחנה. גמישות זו חיונית בניתוח הגורמים התורמים לזיהומים אנושיים, ומאפשרת לחוקרים להתאים את התנאים כך שישקפו מצבי מחלה שונים או לבחון התערבויות טיפוליות פוטנציאליות. התאימות של הפלטפורמה עם טכנולוגיות קריאה מרובות, כולל מיקרוסקופיה מתקדמת, ניתוחים מיקרוביולוגיים וניתוח שפכים ביוכימיים, משפרת את התועלת שלה. יכולות אלה מאפשרות הערכה מקיפה של תגובת הרקמה לזיהומים, כולל הערכת התנהגות תאית, התפשטות פתוגנים ויעילות של תגובות חיסוניות.

אנו מציגים פרוטוקול מפורט וטכניקות ליצירה ושימוש במודל נאדיות על שבב אנושי המתמקד בשכפול ממשק אוויר-נוזל ושילוב תאי חיסון לחקר זיהומים אנושיים במבחנה.