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* Estes autores contribuíram igualmente
Descrevemos um protocolo para um modelo tridimensional de co-cultura de vias aéreas infectadas, usando CFBE41o- células, macrófagos THP-1 e Pseudomonas aeruginosa, estabelecido na interface ar-líquido. Este modelo fornece uma nova plataforma para testar simultaneamente a eficácia dos antibióticos, a função da barreira epitelial e marcadores inflamatórios.
A pesquisa de fDrug para o tratamento de infecções pulmonares está progredindo para modelos in vitro preditivos de alta complexidade. A presença multifacetada de bactérias em modelos pulmonares pode retransformar o arranjo epitelial, enquanto as células imunes coordenam uma resposta inflamatória contra as bactérias no microambiente. Embora os modelos in vivo tenham sido a escolha para testar novos anti-infecciosos no contexto da fibrose cística, eles ainda não imitam com precisão as condições in vivo de tais doenças em humanos e os desfechos do tratamento. Modelos in vitro complexos das vias aéreas infectadas com base em células humanas (epiteliais brônquicais e macrófagos) e patógenos relevantes poderiam preencher essa lacuna e facilitar a tradução de novos anti-infecciosos para a clínica. Para tais efeitos, foi estabelecido um modelo de co-cultura da linha de células epiteliais antelásticas císticas humanas CFBE41o- e macrófagos derivados do monócito THP-1, imitando uma infecção da mucosa brônquica humana por P. aeruginosa em condições de interface ar-líquido (ALI). Este modelo é configurado em sete dias, e os seguintes parâmetros são avaliados simultaneamente: integridade da barreira epitelial, transmigração de macrófago, sobrevida bacteriana e inflamação. O presente protocolo descreve um sistema robusto e reprodutível para avaliar a eficácia da droga e respostas do hospedeiro que poderiam ser relevantes para a descoberta de novos anti-infecciosos e a otimização de sua entrega de aerossol para os pulmões.
Pseudomonas aeruginosa é um patógeno relevante na fibrose cística (CF) que contribui para o comprometimento do tecido pulmonar1. A produção de polissacarídeos, como alginato e outros exopolídeos mucoides, coordena o progresso da doença, que leva à tenaz adesão bacteriana, limita a entrega de antibióticos a bactérias e protege as bactérias contra o sistema imunológico hospedeiro2. A transição da P. aeruginosa da fase planctônica para a formação de biofilmes é uma questão crítica nesse contexto, facilitando também a ocorrência de tolerância a antibióticos.
No contexto da CF, o mouse tem sido usado principalmente como modelo. Os camundongos, no entanto, não desenvolvem espontaneamente essa doença com a introdução de mutações CF3. A maioria dos estudos de desenvolvimento de biofilme bacteriano e suscetibilidade a medicamentos tem sido realizada em superfícies abióticas, como placas de Petri. No entanto, essa abordagem não representa a complexidade in vivo. Por exemplo, importantes barreiras biológicas estão ausentes, incluindo células imunes, bem como o epitélio mucosa. Embora p. aeruginosa seja bastante tóxica para células epiteliais, alguns grupos conseguiram co-cultivar um biofilme P. aeruginosa anterior com células brônquicas humanas. Essas células originaram-se de pacientes com fibrose cística com mutação CFTR (CFBE41o- células)4 e permitiram avaliar a eficácia do antibiótico5 ou avaliar a correção da proteína CFTR durante a infecção6. Tal modelo mostrou-se para melhorar a previsibilidade da eficácia da droga, além de possibilitar a caracterização de problemas com drogas que falharam em fases posteriores do desenvolvimento de medicamentos7.
No entanto, no pulmão, o epitélio mucosa é exposto ao ar. Além disso, as células imunes presentes nas vias aéreas, como macrófagos teciduais, desempenham um papel essencial contra patógenos ou partículas inaladas8. Macrófagos migram através das diferentes camadas celulares para alcançar o lúmen brônquico e combater a infecção. Além disso, as drogas inaladas também têm que lidar com a presença de muco como um elemento não celular adicional da barreira ar-sangue pulmonar9. De fato, vários modelos in vitro tridimensionais complexos (3D) foram desenvolvidos, com o objetivo de aumentar a relevância in vivo. Sistemas de co-cultura não só aumentam a complexidade de sistemas in vitro para descoberta de drogas, mas também permitem estudar interações célula-células. Tal complexidade tem sido abordada em estudos sobre a migração de macrófagos10, a liberação de peptídeos antimicrobianos por neutrófilos11, o papel do muco na infecção9, e a reação das células epiteliais ao dano excessivo12. No entanto, um modelo in vitro infectado por CF confiável que apresenta a mutação genética em CF, que é exposto ao ar (aumento da condição fisiológica), e integra as células imunes ainda está em falta.
Para preencher essa lacuna, descrevemos um protocolo para a co-cultura 3D humana estável das vias aéreas infectadas. O modelo é constituído por células epiteliais e macrófagos bronquiais humanos, infectados com P. aeruginosa e capazes de representar uma barreira difuso e imunológica. Com o objetivo de testar anti-infecciosos a uma taxa razoavelmente alta, esta co-cultura foi estabelecida na membrana de filtro permeável de pastilhas de placas de poço, utilizando duas linhas de células humanas: CFBE41o- e macrófagos derivados de monócitos THP-1. Além disso, para eventualmente estudar a deposição de anti-infecciosos aerossolizados13,o modelo foi estabelecido na interface ar-líquido (ALI) em vez de condições cobertas líquidas (LCC).
Como relatamos aqui, este modelo permite avaliar não apenas a sobrevivência bacteriana em um tratamento antibiótico, mas também citotoxicidade celular, integridade da barreira epitelial, transmigração de macrófagos e respostas inflamatórias, que são parâmetros essenciais para o desenvolvimento de medicamentos.
Este protocolo combina dois tipos de células relevantes para a terapia de inalação das vias aéreas pulmonares: macrófagos e epitélio bronquial cf. Essas células são semeadas em lados opostos de pastilhas de suporte permeáveis, permitindo a exposição celular ao ar (chamada de interface ar-líquido (ALI). Esta co-cultura de células hospedeiras é subsequentemente infectada com P. aeruginosa. Ambas as linhas celulares hospedeiras são de origem humana: as células epiteliais representam o epitélio brônquico da fibrose cística, com uma mutação no canal CF (CFBE41o-), e as células THP-114 são uma linha celular bem caracterizada como macrófago. Uma camada epitelial confluente é permitida pela primeira vez para se formar no lado superior das pastilhas de placas de poço antes que as células semelhantes ao macrófago sejam adicionadas ao compartimento oposto. Uma vez que a co-cultura é estabelecida na ALI, o sistema é inoculado com P. aeruginosa no lado apical. Este sistema de cocultura infectado é então usado para avaliar a eficácia de um antibiótico, por exemplo, tobramicina. São analisados os seguintes pontos finais: integridade da barreira epitelial em termos de resistência elétrica transepitelial (TEER), visualização de interações célula-célula-célula-célula-bactérias por microscopia de varredura a laser confocal (CLSM), sobrevivência bacteriana por contagem de unidades formadoras de colônias (UFC), sobrevivência celular hospedeira (citotoxicidade) e liberação de citocinas.
1. Crescimento e diferenciação de células em pastilhas de suporte permeáveis
2. Estabelecimento de uma co-cultura epitelial-macrófago em suportes permeáveis
3. Infecção por P. aeruginosa
NOTA: Todos os passos a seguir devem ser feitos em um laboratório de biossegurança nível 2 (BSL2).
4. Preparação da amostra para microscopia de varredura a laser confocal (CLSM)
5. Medição da proliferação bacteriana através de unidades formadoras de colônias (UFC)
6. Avaliação da citotoxicidade celular via ensaio de lactato desidrogenase
7. Avaliação da liberação de citocinas humanas
A Figura 1A mostra a morfologia da co-cultura resultante das células epiteliais e macrófagos brônquicos humanos depois de crescer tanto por 24 h no lado apical e basolateral de suportes permeáveis, respectivamente. A integridade da barreira epitelial é mostrada por TEER (834 Ω×cm2) e CLSM por imunostaining para a proteína de junção apertada ZO-1 (Figura 1B). Os mesmos resultados observados em termos de integridade de barreira de CFBE41o não...
Este artigo descreve um protocolo para uma cocultura 3D das vias aéreas infectadas, constituída pela linha de células epiteliais anfíquiis císticas humanas CFBE41o- e a linha de células macrófagos derivadas do monocito humano THP-1. O protocolo permite a avaliação da integridade da barreira epitelial, transmigração de macrófagos, sobrevivência de bactérias e inflamação, que são parâmetros importantes ao testar a eficácia da droga e as respostas do hospedeiro simultaneamente. A novidade no modelo está ...
Os autores não têm nada a revelar.
Este trabalho recebeu financiamento do Programa HORIZON 2020 da União Europeia para pesquisa, desenvolvimento tecnológico e demonstração sob o acordo de subvenção nº 642028 H2020-MSCA-ITN-2014, NABBA - Design e Desenvolvimento de Nanomedicinas avançadas para superar barreiras biológicas e tratar doenças graves. Agradecemos à Dra Ana Costa e à Dra. Agradecemos também a Chelsea Thorn por revisar nosso manuscrito.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Accutase | Accutase | AT104 | |
Ampicillin | Carl Roth, Germany | HP62.1 | |
CASY TT Cell Counter and Analyzer | OLS Omni Life Sciences | - | |
CellTrace Far Red | Thermo Fischer | C34564 | |
Centrifuge Universal 320R | Hettich, Germany | 1406 | |
CFBE41o- cells | 1. Gruenert Cell Line Distribution Program 2. Sigma-Aldrich | 1. gift from Dr. Dieter C. Gruenert 2. SCC151 | |
Chopstick Electrode Set for EVOM2, 4mm | World Precision Instruments, Sarasota, USA | STX2 | |
Confocal Laser-Scanning Microscope CLSM | Leica, Mannheim, Germany | TCS SP 8 | |
Cytokines ELISA Ready-SET-Go kits | Affymetrix eBioscience, USA | 15541037 | |
Cytokines Panel I and II | LEGENDplex Immunoassay (Biolegend, USA). | 740102 | |
Cytotoxicity Detection Kit (LDH) | Roche | 11644793001 | |
D-(+) Glucose | Merck | 47829 | |
Dako Fluorescence Mounting Medium | DAKO | S3023 | |
DAPI (4′,6-diamidino-2-phenylindole) | Thermo Fischer | D1306 | |
Epithelial voltohmmeter | World Precision Instruments, Sarasota, USA | EVOM2 | |
Falcon Permeable Support for 12 Well Plate with 3.0μm Transparent PET Membrane, Sterile | Corning, Amsterdam, Netherlands | 353181 | |
Fetal calf serum | Lonza, Basel, Switzerland | DE14-801F | |
Goat anti-mouse (H+L) Cross-adsorbed secondary Antibody, Alexa Fluor 633 | Invitrogen | A-21050 | |
L-Lactate Dehydrogenase (LDH), rabbit muscle | Roche, Mannheim, Germany | 10127230001 | |
LB broth | Sigma-Aldrich, Germany | L2897-1KG | |
MEM (Minimum Essential Medium) | Gibco Thermo Fisher Scientific Inc. | 11095072 | |
Non-Essential Amino Acids Solution (100X) | Gibco Thermo Fisher Scientific Inc. | 11140050 | |
P. aeruginosa strain PAO1 | American Type Culture Collection | 47085 | |
P. aeruginosa strain PAO1-GFP | American Type Culture Collection | 10145GFP | |
Paraformaldehyde Aqueous Solution -16% | EMS DIASUM | 15710-S | |
Phosphate buffer solution buffer | Thermo Fischer | 10010023 | |
Petri dishes | Greiner | 664102 | |
Phorbol 12-myristate 13-acetate (PMA) | Sigma, Germany | P8139-1MG | |
Precision Cover Glasses | ThorLabs | CG15KH | |
Purified Mouse anti-human ZO-1 IgG antibody | BD Transduction Laboratories | 610966 | |
Roswell Park Memorial Institute (RPMI) 1640 medium | Gibco by Lifetechnologies, Paisley, UK | 11875093 | |
Soda-lime glass Petri dish, 50 x 200 mm (height x outside diameter) | Normax, Portugal | 5058561 | |
Saponin | Sigma-Aldrich, Germany | S4521 | |
T75 culture flasks | Thermo Fischer | 156499 | |
THP-1 cells | Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen (DSMZ; Braunschweig, Germany) | No. ACC-16 | |
Tobramycin sulfate salt | Sigma | T1783-500MG | |
Trypsin-EDTA 0.05% | Thermo Fischer | 25300054 | |
Tween80 | Sigma-Aldrich, Germany | P1754 |
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