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O epitélio nasal é o principal sítio de barreira encontrado por todos os patógenos respiratórios. Aqui, descrevemos métodos para usar células epiteliais nasais primárias cultivadas como culturas de interface ar-líquido (LPA) para caracterizar interações coronavírus-hospedeiro humano em um sistema fisiologicamente relevante.
Três coronavírus humanos altamente patogênicos (HCoVs) - SARS-CoV (2002), MERS-CoV (2012) e SARS-CoV-2 (2019) - emergiram e causaram crises de saúde pública significativas nos últimos 20 anos. Quatro HCoVs adicionais causam uma parcela significativa de casos de resfriado comum a cada ano (HCoV-NL63, -229E, -OC43 e -HKU1), destacando a importância do estudo desses vírus em sistemas fisiologicamente relevantes. Os HCoVs entram no trato respiratório e estabelecem a infecção no epitélio nasal, o sítio primário encontrado por todos os patógenos respiratórios. Usamos um sistema primário de cultura epitelial nasal no qual amostras nasais derivadas do paciente são cultivadas em uma interface ar-líquido (LPA) para estudar as interações patógeno-hospedeiro neste importante sítio sentinela. Essas culturas recapitulam muitas características da via aérea in vivo , incluindo os tipos celulares presentes, a função ciliar e a produção de muco. Descrevemos métodos para caracterizar a replicação viral, o tropismo de células hospedeiras, a citotoxicidade induzida por vírus e a indução de imune inata em culturas nasais de LPA após infecção por HCoV, usando trabalhos recentes comparando HCoVs letal e sazonal como exemplo1. Uma maior compreensão das interações hospedeiro-patógeno no nariz tem o potencial de fornecer novos alvos para a terapêutica antiviral contra HCoVs e outros vírus respiratórios que provavelmente surgirão no futuro.
Sete coronavírus humanos (HCoVs) foram identificados até o momento e causam uma série de doenças respiratórias2. Os HCoVs comuns ou sazonais (HCoV-NL63, -229E, -OC43 e -HKU1) são tipicamente associados à patologia do trato respiratório superior e causam cerca de 10%-30% dos casos de resfriado comum anualmente. Embora esse seja o fenótipo clínico típico associado ao HCoVs, esses vírus podem causar doença mais significativa do trato respiratório inferior em populações de risco, incluindo crianças, idosos e indivíduos imunocomprometidos 3,4. Três HCoVs patogênicos surgiram e causaram emergências de saúde pública significativas nos últimos 20 anos, incluindo síndrome respiratória aguda grave (SARS)-CoV, síndrome respiratória do Oriente Médio (MERS)-CoV e SARS-CoV-2. Os HCoVs letais estão associados a patologias mais graves do trato respiratório, o que é claramente ilustrado pela taxa de letalidade de >34% associada aos casos de MERS-CoV (894 mortes em mais de 2.500 casos desde seu surgimento em 2012)5,6. É importante notar que os HCoVs letais também causam uma série de doenças do trato respiratório, desde infecções assintomáticas até pneumonia letal, como visto com a pandemia COVID-19 em curso7.
Os HCoVs, como outros patógenos respiratórios, entram no trato respiratório e estabelecem uma infecção produtiva no epitélionasal8. Acredita-se que a disseminação para a via aérea inferior esteja associada à aspiração da cavidade oral/nasal para o pulmão, onde os HCoVs causam patologia mais significativa do trato respiratório inferior9,10,11. Assim, o nariz serve como o portal inicial para a entrada viral e é a barreira primária à infecção com sua robusta maquinaria de depuração mucociliar e mecanismos imunes inatos únicos destinados a prevenir a disseminação viral para as vias aéreasinferiores12,13. Por exemplo, foi relatado que células epiteliais nasais expressam níveis basais acima da média de interferons antivirais e genes estimulados por interferon, indicando que as células nasais podem ser preparadas para respostas precoces a vírus respiratórios14,15,16.
Utilizamos previamente células epiteliais nasais primárias derivadas do paciente cultivadas em uma interface ar-líquido (LPA) para modelar as interações HCoV-hospedeiro no nariz, onde as infecções por HCoV começam. As culturas nasais de LPA são permissivas tanto para HCoVs patogênicos (SARS-CoV-2 e MERS-CoV) quanto para HCoVs comuns (HCoV-NL63 e HCoV-229E) e oferecem várias vantagens sobre linhagens celulares epiteliais tradicionais das vias aéreas, como a A549 (uma linhagem celular de adenocarcinoma pulmonar)16,17. Após a diferenciação, as culturas nasais de LPA contêm uma população celular heterogênea e exibem muitas das funções esperadas do epitélio nasal in vivo, como a maquinaria de depuração mucociliar18. As células nasais também oferecem vantagens sobre os sistemas de cultura das vias aéreas inferiores (como as células epiteliais brônquicas humanas, HBECs), uma vez que a aquisição de células epiteliais nasais via escovação citológica é significativamente menos invasiva em comparação com o uso de técnicas como a broncoscopia para a obtenção de HBECs 19,20,21.
Este trabalho descreve métodos de utilização deste sistema de cultura de LPA nasal para caracterizar as interações HCoV-hospedeiro no epitélio nasal. Nós aplicamos estes métodos em trabalhos recentemente publicados para comparar SARS-CoV-2, MERS-CoV, HCoV-NL63, e HCoV-229E 1,16,17. Embora esses métodos e resultados representativos enfatizem o estudo dos HCoVs neste modelo de células nasais, o sistema é altamente adaptável a outros HCoVs, bem como a outros patógenos respiratórios. Além disso, esses métodos podem ser aplicados de forma mais ampla a outros sistemas de cultura de LPA, a fim de investigar a replicação viral e o tropismo celular, bem como a citotoxicidade e a indução imune inata após a infecção.
O uso de espécimes nasais foi aprovado pelo Comitê de Revisão Institucional da Universidade da Pensilvânia (protocolo # 800614) e pelo Comitê de Revisão Institucional da Filadélfia VA (protocolo # 00781).
1. Infecção de culturas nasais de LPA
NOTA: A aquisição de espécimes clínicos, bem como o crescimento e diferenciação de culturas nasais de LPA, está fora do escopo deste trabalho. Métodos específicos para a cultura de células epiteliais nasais primárias podem ser encontrados em trabalhos publicados recentemente utilizando essas culturas18,22,23. Os protocolos abaixo podem adicionalmente ser aplicados a culturas de LPA epitelial nasal comercialmente disponíveis, se desejado. Os protocolos e volumes detalhados abaixo são aplicáveis a insertos de transpoço de placa de 24 poços (6,5 mm de diâmetro, 0,33 cm de área de superfíciede membrana 2). Se usar culturas de LPA cultivadas em transpoços maiores (isto é, placas de 12 poços, 12 mm de diâmetro, 1,12 cm2 de área de superfície), ajuste os volumes proporcionalmente para refletir o tamanho do transpoço.
2. Coleta de líquido de superfície apical (ASL) e titulação do vírus excretado
3. Quantificação do vírus intracelular
4. Medição da resistência elétrica transepitelial (TEER)
NOTA: Para a medição do TEA, deve-se usar PBS suplementado com cálcio e magnésio (PBS + Ca 2+/Mg2+). Um volt/ohmímetro epitelial ajustado para leitura em ohms é usado (veja a Tabela de Materiais).
5. Mensuração da citotoxicidade durante a infecção pelo ensaio de lactato desidrogenase (LDH)
NOTA: Neste trabalho, o conteúdo de LDH em amostras de ASL foi quantificado usando um kit de detecção de citotoxicidade disponível comercialmente. O sinal de LDH em meio basal foi frequentemente abaixo do limite de detecção e muitas vezes menos reprodutível do que o LDH quantificado em amostras de ASL de culturas infectadas com HCoV.
6. Preparo de culturas nasais de LPA para imagem de imunofluorescência (IF)
7. Coleta de proteína intracelular para western immunoblotting ou RNA para análise de RT-qPCR
Os números representativos são parcialmente adaptados a partir de dados que podem ser encontrados no manuscrito Otter et al.1. Culturas nasais de LPA derivadas de quatro ou seis doadores foram infectadas com um dos quatro HCoVs (SARS-CoV-2, MERS-CoV, HCoV-NL63 e HCoV-229E) de acordo com os protocolos descritos acima, e os títulos virais médios eliminados apicamente para cada vírus estão representados na Figura 1A. Enquanto todos esses quatro HCoVs se replicam pr...
Os métodos aqui detalhados descrevem um sistema primário de cultura epitelial no qual células epiteliais nasais derivadas do paciente são cultivadas em uma interface ar-líquido e aplicadas ao estudo das interações HCoV-hospedeiro. Uma vez diferenciadas, essas culturas nasais de LPA recapitulam muitas características do epitélio nasal in vivo , incluindo uma população celular heterogênea com células ciliadas, caliciformes e basais representadas, bem como função mucociliar intacta com cílios e secr...
Susan Weiss faz parte dos Conselhos Consultivos Científicos da Ocugen. Noam A. Cohen é consultor da GSK, AstraZeneca, Novartis, Sanofi/Regeron e Oyster Point Pharmaceuticals e tem uma patente nos EUA, "Therapy and Diagnostics for Respiratory Infection" (10.881.698 B2, WO20913112865), e um acordo de licenciamento com a GeneOne Life Sciences.
Este estudo tem as seguintes fontes de financiamento: National Institutes of Health (NIH) R01AI 169537 (S.R.W. e N.A.C.), NIH R01AI 140442 (S.R.W.), VA Merit Review CX001717 (N.A.C.), VA Merit Review BX005432 (S.R.W. e N.A.C.), Penn Center for Research on Coronaviruses and other Emerging Pathogens (S.R.W.), Laffey-McHugh Foundation (S.R.W. e N.A.C.), T32 AI055400 (CJO), T32 AI007324 (AF).
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Alexa Fluor secondary antibodies (488, 594, 647) | Invitrogen | Various | |
BSA (bovine serum albumin) | Sigma-Aldrich | A7906 | |
cOmplete mini EDTA-free protease inhibitor | Roche | 11836170001 | |
Cytotoxicity detection kit | Roche | 11644793001 | |
DMEM (Dulbecco's Modified Eagle Media) | Gibco | 11965-084 | |
DPBS (Dulbecco's Phosphate Buffered Saline) | Gibco | 14190136 | |
DPBS + calcium + magnesium | Gibco | 14040-117 | |
Endohm-6G measurement chamber | World Precision Instruments | ENDOHM-6G | |
Epithelial cell adhesion marker (EpCAM; CD326) | eBiosciences | 14-9326-82 | |
Epithelial Volt/Ohm (TEER) Meter (EVOM) | World Precision Instruments | 300523 | |
FBS (Fetal Bovine Serum) | HyClone | SH30071.03 | |
FV10-ASW software for imaging | Olympus | Version 4.02 | |
HCoV-NL63 (Human coronavirus, NL63) | BEI Resources | NR-470 | |
HCoV-NL63 nucleocapsid antibody | Sino Biological | 40641-V07E | |
Hoescht stain | Thermo Fisher | H3570 | |
Laemmli sample buffer (4x) | BIO-RAD | 1610747 | |
LLC-MK2 cells | ATCC | CCL-7 | To titrate HCoV-NL63 |
MERS-CoV (Human coronavirus, Middle East Respiratory Syndrome Coronavirus (MERS-CoV), EMC/2012) | BEI Resources | NR-44260 | |
MERS-CoV nucleocapsid antibody | Sino Biological | 40068-MM10 | |
MUC5AC antibody | Sigma-Aldrich | AMAB91539 | |
Olympus Fluoview confocal microscope | Olympus | FV1000 | |
Phalloidin-iFluor 647 stain | Abcam | ab176759 | |
PhosStop easy pack (phosphatase inhibitors) | Roche | PHOSS-RO | |
Plate reader | Perkin Elmer | HH34000000 | Any plate reader or ELISA reader is sufficient; must be able to read absorbance at 492 nm |
RIPA buffer (50 mM Tris pH 8; 150 mM NaCl; 0.5% deoxycholate; 0.1% SDS; 1% NP40) | Thermo Fisher | 89990 | Can prep in-house or purchase |
RNeasy Plus Kit | Qiagen | 74134 | |
SARS-CoV-2 (SARS-Related Coronavirus 2, Isolate USA-WA1/2020) | BEI Resources | NR-52281 | |
SARS-CoV-2 nucleocapsid antibody | Genetex | GTX135357 | |
Triton-X 100 | Fisher Scientific | BP151100 | |
Type IV β- tubulin antibody | Abcam | ab11315 | |
VeroCCL81 cells | ATCC | CCL-81 | To titrate MERS-CoV |
VeroE6 cells | ATCC | CRL-1586 | To titrate SARS-CoV-2 |
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