Fibrosis quística fielmente modelada en un chip de vía aérea pulmonar humano
Cómo los neutrófilos (fluorescentes en verde) que se agregaron al canal sanguíneo se adhirieron al endotelio (con las células delineadas con un marcador que se muestra en magenta) y transmigraron al epitelio en el canal paralelo. Crédito: Instituto Wyss de la Universidad de Harvard.
El trastorno progresivo hereditario de fibrosis quística (FQ) causa daños severos a los pulmones y otros tejidos del cuerpo al afectar las células que producen moco, sudor y jugos digestivos. En las personas que portan mutaciones en el gen regulador de la conductancia transmembrana de la fibrosis quística (CFTR), que codifica un canal iónico que controla el flujo de iones y agua dentro y fuera de las células, la mucosidad de las vías respiratorias y otros conductos, que normalmente es delgada y resbaladiza, se vuelve pegajoso y espeso, por lo que en lugar de actuar como lubricante, se convierte en congestionante.
Los avances en las pruebas de detección de pacientes y las terapias innovadoras permiten que los pacientes con FQ vivan ahora hasta los 30 o 40 años, a veces incluso más. Sin embargo, incluso el ~90 % de los pacientes (dependientes del continente) con la mutación CFTR más común, llamada F508, que pueden tratarse con los medicamentos disponibles, todavía están plagados de bacterias que se asientan en su mucosidad, lo que provoca inflamación en sus pulmones. Los episodios repetidos de infección e inflamación, así como una inflamación crónica de menor grado entre infecciones, debilitan y cicatrizan gradualmente las vías respiratorias de los pacientes, lo que eventualmente hace que sus sistemas respiratorios fallen. Para el ~10 % restante de los pacientes con otras mutaciones de CFTR, aún no existen tratamientos dirigidos. Una barrera importante para el desarrollo de tratamientos nuevos y que se necesitan con urgencia es la falta de modelos humanos in vitro que recapitulen la patología de la enfermedad de FQ.
Ahora, un equipo de investigación multidisciplinario del Instituto Wyss de Ingeniería Biológicamente Inspirada de Harvard dirigido por el Director Fundador de Wyss, Donald Ingber , MD, PhD. y con el apoyo de una subvención de la Cystic Fibrosis Foundation, han desarrollado un dispositivo de chip de órgano microfluídico del tamaño de una memoria USB que recapitula las características patológicas clave de los pacientes con FQ con mayor precisión que otros sistemas in vitro hasta el momento. El modelo replica los cambios específicos de la FQ en múltiples características de la enfermedad, incluso en la capa de moco de las vías respiratorias, el latido de los cilios que transportan el moco, el crecimiento de patógenos, las moléculas inflamatorias y el reclutamiento de glóbulos blancos, proporcionando un modelo humano preclínico completo en el que para investigar nuevas terapias para la FQ. Los hallazgos se publican en el Journal of Cystic Fibrosis.
«Ahora que podemos modelar con precisión la patología de la FQ, incluido el microbioma y las respuestas inflamatorias, en los Airway Chips humanos, tenemos una manera de abordar los desafíos que son importantes a los pacientes con FQ», dijo Ingber. «Las capacidades agrupadas de este modelo in vitro avanzado pueden ayudar a acelerar la búsqueda de medicamentos que puedan amortiguar la respuesta inmune exagerada en los pacientes, tratarlos con terapias más personalizadas y ayudar a resolver los problemas que los pacientes con FQ enfrentan todos los días y que no pueden ser abordados por los tratamientos existentes. » Ingber también es líder de la facultad de la plataforma de diagnóstico y terapia bioinspirada de Wyss, así como profesor de biología vascular JudahFolkman en la Escuela de Medicina de Harvard y el Hospital Infantil de Boston, y profesor de bioingeniería en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de Harvard.
Para modelar y comparar la microestructura y la función de las vías respiratorias vascularizadas con FQ, los autores cultivaron células de las vías respiratorias pulmonares obtenidas de pacientes humanos con FQ o de individuos sanos en uno de los dos canales huecos paralelos de un dispositivo de microfluidos bajo aire, recapitulando el aire del pulmón. -Entorno de transporte. En el segundo canal, que está separado del primero por una membrana porosa, recrearon un vaso sanguíneo humano a partir de células microvasculares de pulmón humano que se perfundió con un medio sustituto de la sangre.
«Este primer modelo microfisiológico de una vía aérea con fibrosis quística imita de cerca lo que conocemos de las vías respiratorias en pacientes con fibrosis quística Manteniendo la composición típica de todos los tipos de células relevantes, desarrolló una capa de moco más gruesa y sus células ciliadas exhiben densidades más altas de cilios que laten a una frecuencia más alta en comparación con los Airway Chips creado con células de las vías respiratorias de individuos sanos», dijo el coautor y ex becario postdoctoral del equipo de Ingber, Ratnakar Potla, MBBS, Ph.D. «Es importante destacar que estos cambios patológicos estuvieron acompañados de una respuesta inflamatoria mejorada en el epitelio bronquial con FQ modelado que es muy similar a la observada en pacientes con FQ». Potla es ahora científico sénior de sistemas in vitro complejos en Genentech-Roche.
Después de cultivar los Airway Chips durante dos semanas, los investigadores midieron los niveles de factores proinflamatorios y antiinflamatorios que salían del canal vascular del Airway Chip. que se sabe que están involucrados en la respuesta inflamatoria en los pulmones de los pacientes con FQ. Entre otros cambios, el nivel de la citocina proinflamatoria IL-8 aumentó en los chips de FQ en comparación con los de control Airway Chips. Curiosamente, la IL-8 es conocida por su capacidad para atraer el tipo de glóbulos blancos conocidos como neutrófilos que también provocan inflamación en los pulmones de los pacientes con FQ.
Cuando los investigadores hicieron fluir neutrófilos humanos a través del sistema vascular canal de los CF Airway Chips, observaron que más células inmunitarias se adhirieron espontáneamente a la superficie de las células vasculares, se escurrieron a través de la capa de células vasculares y la membrana porosa, y se acumularon en la capa de células epiteliales de las vías respiratorias del canal de aire, recapitulando un proceso conocido como «transmigración».
Pero el tejido de las vías respiratorias que imita la FQ no solo estimuló el reclutamiento de células inmunitarias, sino que también apoyó el crecimiento de la bacteria, Pseudomonas aeruginosa, que está presente en el microbioma del pulmón normal pero puede crecer fuera de control y causar infecciones pulmonares en pacientes humanos con FQ. Veinticuatro horas después de que introdujeron una versión marcada con fluorescencia de P. aeruginosa en el canal de las vías respiratorias de los chips creados con células epiteliales bronquiales de pacientes con FQ, el equipo detectó cantidades más altas del patógeno en la mucosidad específica de la FQ que en la mucosidad de los Airway Chips sanos. Como consecuencia, los niveles de citocinas proinflamatorias aumentaron aún más, replicando así el ciclo de infección-inflamación que se observa en los pacientes con FQ.
Como próximos pasos, el equipo personalizará aún más su chip de vía aérea pulmonar FQ generando versiones en las que se obtienen del mismo paciente células epiteliales bronquiales, endoteliales vasculares e inmunitarias. «Para este estudio de prueba de concepto, solo hemos utilizado células de las vías respiratorias bronquiales específicas de FQ de pacientes que portan la mutación frecuente F508 CFTR. Pero diferentes mutaciones CFTR también pueden afectar la función de las células endoteliales e inmunitarias y difieren en sus efectos». dijo el co-primer autor Roberto Plebani, Ph.D. «Al desarrollar un panel de Airway Chips específicos para pacientes utilizando células de pacientes con diferentes mutaciones, y también al medir directamente la actividad de los canales de iones CFTR comprometidos de manera diferente en el chip, las respuestas y eficacias de los medicamentos podrían investigarse de una manera altamente personalizada». Plebani trabajó en el laboratorio de Ingber como profesor invitado de la Universidad «G. d’Annnunzio» de Chieti-Pescara en Italia, y encabezó el proyecto en el grupo de Ingber con Potla.
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Una nueva prueba para medir la eficacia de los medicamentos para la FQ Más información: Roberto Plebani et al, Modeling pulmonary cystic fibrosis in a human lung airway-on-a-chip, Revista de Fibrosis Quística (2021). DOI: 10.1016/j.jcf.2021.10.004 Proporcionado por la Universidad de Harvard Cita: Fibrosis quística fielmente modelada en un chip de vía aérea pulmonar humano (19 de noviembre de 2021) consultado el 29 de agosto de 2022 en https://medicalxpress .com/news/2021-11-cystic-fibrosis-faithfully-human-lung.html Este documento está sujeto a derechos de autor. Aparte de cualquier trato justo con fines de estudio o investigación privados, ninguna parte puede reproducirse sin el permiso por escrito. El contenido se proporciona únicamente con fines informativos.