Naukowcy po raz pierwszy stworzyli model ludzkiego płuca na chipie, który oddycha i reaguje na infekcję tak jak płuco konkretnej osoby. Przełom polega na wykorzystaniu wyłącznie genetycznie identycznych komórek pochodzących od jednego dawcy. Opracowanie, przygotowane przez zespół z Francis Crick Institute we współpracy ze szwajcarską firmą AlveoliX, otwiera nowy rozdział w badaniach nad gruźlicą, innymi infekcjami dróg oddechowych oraz medycyną spersonalizowaną. Wyniki opublikowano w czasopiśmie Science Advances.
Z tego artykułu dowiesz się…
- Dlaczego płuco na chipie z genetycznie identycznych komórek to przełom i czym różni się od wcześniejszych modeli opartych na mieszanych liniach komórkowych.
- Jak naukowcy odtworzyli oddychanie i barierę pęcherzykową, wykorzystując indukowane pluripotentne komórki macierzyste (iPSC) jednego dawcy.
- W jaki sposób nowy model pozwala badać wczesne, niewidoczne etapy gruźlicy, których nie da się uchwycić w badaniach klinicznych.
- Jakie znaczenie ma ta technologia dla medycyny spersonalizowanej, testowania leków i ograniczania badań na zwierzętach.
Pęcherzyki płucne – kluczowe pole walki z infekcją
Pęcherzyki płucne są miejscem wymiany gazowej, ale jednocześnie stanowią pierwszą linię obrony przed wdychanymi patogenami, takimi jak wirusy grypy czy prątki gruźlicy. To właśnie na tym mikroskopijnym poziomie rozgrywają się najwcześniejsze, często niewidoczne klinicznie etapy choroby. Dotychczasowe modele laboratoryjne miały jednak istotne ograniczenie: były budowane z mieszaniny komórek pochodzących od różnych dawców lub źródeł komercyjnych, co uniemożliwiało wierne odtworzenie biologii pojedynczego organizmu.
Płuco na chipie nowej generacji
Nowy model „płuca na chipie” to miniaturowe urządzenie z siecią mikrokanalików i komór, w którym odtworzono barierę pęcherzyka płucnego. Kluczowa innowacja polega na tym, że wszystkie elementy układu powstały z indukowanych pluripotentnych komórek macierzystych (iPSC) jednego dawcy. Na tej podstawie zespół wytworzył:
- komórki nabłonka pęcherzyków płucnych typu I i II,
- komórki śródbłonka naczyniowego,
- a następnie – już na etapie symulacji infekcji – komórki odpornościowe, czyli makrofagi.
Komórki nabłonkowe i śródbłonkowe hodowano po przeciwnych stronach ultracienkiej membrany w chipie opracowanym przez AlveoliX, co pozwoliło odtworzyć fizyczną i biologiczną barierę między powietrzem a krwią.
Oddychanie w skali mikro – rola mechaniki
Aby model nie był jedynie statyczną hodowlą komórkową, AlveoliX zaprojektowała system, który wywiera rytmiczne, trójwymiarowe siły rozciągające, naśladujące ruch oddech. To mechaniczne obciążenie okazało się kluczowe: stymulowało powstawanie mikrokosmków na powierzchni komórek nabłonka, zwiększając powierzchnię wymiany gazowej i nadając tkance cechy zbliżone do prawdziwego płuca. Bez tego etapu komórki nie rozwijały struktur niezbędnych do prawidłowego funkcjonowania.
Modelowanie gruźlicy krok po kroku
W kolejnym etapie naukowcy dodali do układu makrofagi wytworzone z iPSC tego samego dawcy, a następnie wprowadzili prątki gruźlicy. Dzięki temu mogli obserwować w czasie rzeczywistym pierwsze etapy rozwoju choroby w jednorodnym genetycznie środowisku.
W zakażonych chipach zaobserwowano powstawanie dużych skupisk makrofagów z martwiczymi rdzeniami – centralnymi obszarami martwych komórek otoczonych żywymi. Po około pięciu dniach doszło do zaniku bariery między nabłonkiem a śródbłonkiem, co wskazywało na utratę funkcji pęcherzyka płucnego.
Znaczenie przełomu
Jak powiedział Max Gutierrez, kierownik naczelny grupy badawczej w laboratorium interakcji gospodarz-patogen w gruźlicy w Crick Institute i starszy autor badania.
Biorąc pod uwagę rosnące zapotrzebowanie na technologie niewymagające wykorzystania zwierząt , podejście oparte na organach na układzie scalonym staje się coraz ważniejsze, jeśli chodzi o odtwarzanie systemów ludzkich, unikając różnic w anatomii płuc, składzie komórek odpornościowych i rozwoju chorób u zwierząt i ludzi. Chipy, składające się z całkowicie identycznych genetycznie komórek, mogłyby być zbudowane z komórek macierzystych pochodzących od osób z określonymi mutacjami genetycznymi. Pozwoliłoby nam to zrozumieć, jak infekcje takie jak gruźlica wpływają na daną osobę i przetestować skuteczność leczenia, na przykład antybiotyków.
Z kolei Jakson Luk, pierwszy autor badania, podkreślał znaczenie wczesnych etapów choroby:
Gruźlica to choroba rozwijająca się powoli, z upływem miesięcy od zakażenia do pojawienia się objawów, dlatego coraz bardziej potrzebne jest zrozumienie tego, co dzieje się na niewidocznych, wczesnych etapach. Udało nam się odtworzyć te początkowe zdarzenia w rozwoju gruźlicy, dając holistyczny obraz reakcji różnych komórek płuc na infekcje.
Dlaczego to ważne dla medycyny przyszłości
Nowy model pozwala ominąć kluczowe ograniczenia badań na zwierzętach, których anatomia i odpowiedź immunologiczna różnią się od ludzkich. Co więcej, chipy mogą być w przyszłości tworzone z komórek osób z konkretnymi mutacjami genetycznymi, co otwiera drogę do:
- testowania leków „szytych na miarę”,
- lepszego przewidywania odpowiedzi na antybiotyki,
- badań nad innymi infekcjami dróg oddechowych, takimi jak grypa czy COVID-19,
- a także nad chorobami przewlekłymi i nowotworami płuc.
Zespół zapowiada dalsze udoskonalanie systemu poprzez włączanie kolejnych typów komórek, aby jeszcze pełniej odzwierciedlić złożoność ludzkiego płuca.
Główne wnioski
- Pierwszy w pełni spójny genetycznie model płuca na chipie powstał z komórek pochodzących od jednego dawcy, co eliminuje problem „niedopasowania” biologicznego znany z wcześniejszych systemów.
- Chip aktywnie „oddycha” – rytmiczne, trójwymiarowe rozciąganie odtwarza ruchy oddechowe i umożliwia rozwój mikrokosmków kluczowych dla funkcji pęcherzyków płucnych.
- Model wiernie odtwarza wczesne etapy gruźlicy, w tym tworzenie martwiczych jąder makrofagów i zanik bariery pęcherzykowej po kilku dniach od zakażenia.
- Technologia otwiera drogę do medycyny spersonalizowanej – pozwala testować leki i odpowiedź immunologiczną u osób z określonym profilem genetycznym, bez użycia modeli zwierzęcych.
Źródło:
- https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aea9874
