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Os modelos de pulmão em chip superam as culturas 2D tradicionais, imitando a interface ar-líquido e a perfusão de células endoteliais, simulando o fluxo sanguíneo e a troca de nutrientes cruciais para estudos de fisiologia pulmonar. Isso aumenta a relevância da pesquisa pulmonar, oferecendo um ambiente dinâmico e fisiologicamente preciso para avançar na compreensão e no tratamento de infecções respiratórias.
Apresentamos um modelo avançado de pulmão em chip imunocompetente projetado para replicar a estrutura e função alveolar humana. Este modelo inovador emprega um biochip perfundido microfluídico que suporta uma interface ar-líquido que imita o ambiente nos alvéolos humanos. A engenharia de tecidos é usada para integrar os principais componentes celulares, incluindo células endoteliais, macrófagos e células epiteliais, para criar um modelo de tecido representativo do alvéolo. O modelo facilita exames aprofundados das respostas imunes da mucosa a vários patógenos, incluindo vírus, bactérias e fungos, avançando assim nossa compreensão da imunidade pulmonar. O objetivo principal deste protocolo é fornecer detalhes para estabelecer este modelo de alvéolo em chip como uma plataforma in vitro robusta para estudos de infecção, permitindo que os pesquisadores observem e analisem de perto as complexas interações entre patógenos e o sistema imunológico do hospedeiro no ambiente pulmonar. Isso é alcançado por meio da aplicação de técnicas baseadas em microfluídica para simular as principais condições fisiológicas dos alvéolos humanos, incluindo fluxo sanguíneo e estimulação biomecânica das células endoteliais, além de manter uma interface ar-líquido crucial para a exposição realista das células epiteliais ao ar. O sistema modelo é compatível com uma variedade de ensaios padronizados, como coloração por imunofluorescência, perfil de citocinas e análise de unidade formadora de colônias (UFC)/placa, permitindo insights abrangentes sobre a dinâmica imunológica durante a infecção. O Alveolus-on-chip é composto por tipos de células essenciais, incluindo células epiteliais pulmonares distais humanas (H441) e células endoteliais da veia umbilical humana (HUVECs) separadas por membranas porosas de tereftalato de polietileno (PET), com macrófagos primários derivados de monócitos estrategicamente posicionados entre as camadas epitelial e endotelial. O modelo de tecido aumenta a capacidade de dissecar e analisar os fatores diferenciados envolvidos nas respostas imunes pulmonares in vitro. Como uma ferramenta valiosa, deve contribuir para o avanço da pesquisa pulmonar, fornecendo um modelo in vitro mais preciso e dinâmico para estudar a patogênese das infecções respiratórias e testar possíveis intervenções terapêuticas.
O pulmão humano tem um papel marcante na respiração e na defesa imunológica, com interações complexas entre as respostas imunes da mucosa alveolar1. A capacidade dos alvéolos de criar uma resposta imune eficiente é vital para prevenir infecções pulmonares e garantir a saúde pulmonar. Como os pulmões estão constantemente expostos a uma ampla gama de riscos potenciais, incluindo bactérias, vírus, fungos, alergias e material particulado, entender as complexidades das respostas imunes da mucosa alveolar é fundamental para descobrir os mecanismos por trás de infecções respiratórias, distúrbios inflamatórios e tratamento de doenças pulmonares1.
Para estudar os processos relacionados à infecção e inflamação do trato respiratório in vitro, são necessários modelos que possam imitar fielmente o meio alveolar e as respostas imunes. A cultura de células 2D e os módulos animais têm sido usados há décadas como ferramentas essenciais para a pesquisa biomédica sobre a resposta imune pulmonar. No entanto, muitas vezes eles têm limitações em seu potencial de tradução para situações humanas. Os modelos lung-on-chip podem contribuir para preencher a lacuna entre os modelos tradicionais in vitro e in vivo e fornecer uma nova abordagem para estudar as respostas imunes específicas do ser humano 2,3. Os modelos de pulmão em chip podem imitar a interface ar-líquido, que é necessária para que as células pulmonares recapitulem as condições fisiológicas do trato respiratório e desenvolvam um modelo de tecido mais preciso e robusto. Essa técnica de cultura permite um exame preciso da diferenciação, funcionamento e respostas celulares a drogas ou estímulos relacionados a doenças in vitro2.
Neste estudo, apresentamos um modelo baseado em microfluídica do alvéolo humano como uma ferramenta eficaz para recapitular o meio alveolar humano, aplicando perfusão para imitar o fluxo sanguíneo e a estimulação biomecânica das células endoteliais e incorporando uma interface ar-líquido com células epiteliais expostas a uma fase aérea4. Desenvolvemos um alvéolo perfundido microfluídico em chip que imita a estrutura física e as interações biológicas do alvéolo humano, com foco particular na interface ar-líquido. Essa interface desempenha um papel crucial na diferenciação das células epiteliais respiratórias, o que é essencial para modelar com precisão o ambiente pulmonar. O modelo usa células epiteliais pulmonares distais humanas (H441) e células endoteliais da veia umbilical humana (HUVECs), separadas por membranas porosas de tereftalato de polietileno (PET), com macrófagos primários derivados de monócitos posicionados entre as camadas celulares. Essa configuração replica o intrincado arranjo celular do alvéolo e é fundamental para simular com precisão a interface ar-líquido, que é um fator significativo na função fisiológica do tecido pulmonar.
A lógica por trás do desenvolvimento do modelo se estende à integração de células imunes circulantes e residentes no tecido. Essa abordagem foi projetada para imitar com precisão a resposta inflamatória do hospedeiro a infecções respiratórias humanas, fornecendo um ambiente dinâmico para estudar as interações patógeno-hospedeiro. A presença de macrófagos permite o exame das respostas imunes imediatas e sua interação com patógenos, refletindo a primeira linha de defesa contra infecções respiratórias. Além disso, o design da plataforma do biochip facilita a manipulação conveniente e precisa de pistas biofísicas e bioquímicas, o que é crucial para replicar a função do alvéolo in vitro. Essa flexibilidade é fundamental para dissecar os fatores que contribuem para infecções humanas, permitindo que os pesquisadores ajustem as condições para refletir vários estados de doença ou testem possíveis intervenções terapêuticas. A compatibilidade da plataforma com várias tecnologias de leitura, incluindo microscopia avançada, análises microbiológicas e análise bioquímica de efluentes, aumenta sua utilidade. Esses recursos permitem uma avaliação abrangente da resposta tecidual a infecções, incluindo a avaliação do comportamento celular, proliferação de patógenos e a eficácia das respostas imunes.
Apresentamos um protocolo detalhado e técnicas para criar e utilizar um modelo de alvéolo humano em chip focado na replicação da interface ar-líquido e na integração de células imunes para estudar infecções humanas in vitro.
As células HUVEC são isoladas dos cordões umbilicais e usadas até a passagem 4. Os monócitos primários são isolados de doadores saudáveis de sangue total. O estudo foi aprovado pelo comitê de ética do Hospital Universitário de Jena, Jena, Alemanha (3939-12/13). De acordo com a Declaração de Helsinque, todos os indivíduos que doaram células para o estudo deram seu consentimento informado.
1. Dia 1: Preparação do biochip
2. Dia 2: Verificação da camada celular
3. Dia 3: Preparação da câmara inferior
4. Dias 4 - Dia 7: Manutenção das células e colheita de monócitos
5. Dia 8: Perfusão do biochip
6. Dia 9 - Dia 11: Estabelecendo uma interface ar-líquido
7. Dia 14: Colheita e análise de tecidos
Um exame das alterações morfológicas e da expressão de proteínas marcadoras pode ser realizado usando coloração de imunofluorescência. Após co-cultivo por 14 dias, os lados vascular e epitelial são analisados quanto à expressão dos respectivos marcadores celulares. Este método é útil para estudar as interações e integridade dos componentes vasculares e epiteliais, o que é essencial para a modelagem da doença como uma leitura biológica funcional relacionada à infecção. A coloração por imunofluores...
O modelo alvéolo-em-chip representa um modelo de tecido multicamadas do alvéolo humano, integrando tipos de células essenciais do trato respiratório inferior, incluindo células epiteliais pulmonares, células endoteliais e macrófagos, cultivadas em um arranjo organotípico em um ALI com perfusão média do revestimento endotelial. Células de diferentes camadas expressam proteínas marcadoras celulares específicas, como a E-caderina, uma molécula de adesão dependente de cálcio das células epiteliais pulmonares...
K.R. é CEO da Dynamic42 GmbH e detém participação acionária na empresa. A.S.M. é consultor científico da Dynamic 42 GmbH e detém participação acionária na empresa. Todos os outros autores não têm conflitos de interesse.
H.K. e A.S.M. reconhecem o financiamento do Leibniz Science-Campus InfectoOptics Jena, financiado pela linha de financiamento Strategic Networking da Leibniz Association. A M.A. e a A.S.M. foram apoiadas pelo projeto IGF IMPROVE financiado pelo Ministério Federal de Assuntos Econômicos e Energia com base em uma resolução do Bundestag alemão. A A.S.M reconhece ainda o apoio financeiro do Cluster of Excellence Balance of the Microverse sob a Estratégia de Excelência da Alemanha - EXC 2051 - Project-ID 690 390713860.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Consumables | |||
Cellcounting chamber slides (Countess) | Invitrogen | C10283 | |
Cell culture Multiwell Plates, 24 Well, steril | Greiner Bio-One | 662 160 | |
Cell culture Multiwell Plates, 6 Well, steril | Greiner Bio-One | 657 160 | |
Coverslips (24x40mm; #1.5) | Menzel-Gläser | 15747592 | |
Eco wipes | Dr. Schuhmacher | 00-915-REW10003-01 | |
Eppies 2.0 | Sarstedt | 72.691 | |
Eppis 0.5 | Sarstedt | 72.699 | |
Eppis 1.5 | Sarstedt | 72.690.001 | |
Falcons 15mL | Greiner Bio-One | 188 271-TRI | |
Falcons 50mL | Greiner Bio-One | 227 261-TRI | |
Gauze swab | Noba | PZN 2417767 | |
Gloves Nitril 3000 | Meditrade | 1280 | |
Microscope slides | Menzel-Gläser | AAAA000001##12E | |
Multiwell Plates 24 Well, sterile | Greiner Bio-One | 662 160 | |
Pasteur pipettes (glass) 150mm | Assistent | 40567001 | |
Pasteur pipettes (glass) 230mm | Assistent | 40567002 | |
Round-bottom tubes (PS, 5mL) | Falcon | 352052 | |
Safety-Multifly-Set, 20G, 200mm | Sarstedt | 85.1637.235 | |
Scalpels | Dahlhausen | 11.000.00.715 | |
Serological pipettes 10mL | Greiner Bio-One | 607 160-TRI | |
Serological pipettes 25mL | Greiner Bio-One | 760 160-TRI | |
Serological pipettes 2mL | Greiner Bio-One | 710 160-TRI | |
Serological pipettes 50mL | Greiner Bio-One | 768 160-TRI | |
Serological pipettes 5mL | Greiner Bio-One | 606 160-TRI | |
S-Monovette, 7,5ml Z-Gel | Sarstedt | 1.1602 | |
S-Monovette, 9,0ml K3E | Sarstedt | 02.1066.001 | |
Softasept N | Braun | 3887138 | |
T25 flask | Greiner Bio-One | 690 960 | |
Tips sterile 10µL | Greiner Bio-One | 771 261 | |
Tips sterile 1250µL | Greiner Bio-One | 750 261 | |
Tips sterile 300µL | Greiner Bio-One | 738 261 | |
Tips unsterile 10µL | Greiner Bio-One | 765 290 | |
Tips unsterile 1000µL | Greiner Bio-One | 739 291 | |
Tips unsterile 200µL | Greiner Bio-One | 686 290 | |
Tweezers (Präzisionspinzette DUMONT abgewinkelt Inox08, 5/45, 0,06 mm) | Roth | K343.1 | |
Chemicals | |||
Descosept AF | Dr. Schuhmacher | N-20338 | |
Ethanol 96% | Nordbrand-Nordhausen | 410 | |
Fluorescein isothiocyanate (FITC)-dextran (3-5kDa) | Sigma Aldrich | FD4-100MG | |
Fluorescent Mounting Medium | Dako | S3023 | |
Methanol | VWR | 20847.295 | |
Saponin | Fluka | 47036 | |
Tergazyme | Alconox | 1304-1 | |
Cell culture | |||
Collagen IV | Sigma-Aldrich | C5533-5MG | |
Dexametason | Sigma-Aldrich | D4902 | |
DPBS (-/-) | Lonza | BE17-516F | |
DPBS (+/+) | Lonza | BE17-513F | |
EDTA solution | Sigma-Aldrich | E788S | |
Endothelial Cell Growth Medium | Promocell | C-22020 | |
Endothelial Cell Growth Medium supplement mix | Promocell | C-39225 | |
Fetal bovine Serum | Sigma-Aldrich | E2129-10g | |
H441 | ATCC | ||
Human recombinant GM-CSF | Peprotech | 300-30 | |
Lidocain | Sigma-Aldrich | L5647-15G | |
Penicillin-Streptomycin (10,000 U/mL) | Gibco | 15140-122 /-163 | |
RPMI | Gibco | 72400047 | |
Trypane blue stain 0.4% | Invitrogen | T10282 | |
Trypsin | Gibco | 15090-046 | |
Primary antibodies | |||
Cadherin-5 / VE-Cadherin (goat) | BD | 610252 | |
CD68 (rabbit) | CellSignaling | 76437 | |
E-Cadherin (goat) | R&D | AF748 | |
SP-A (mouse) | Abcam | ab51891 | |
Secondary antibodies | |||
AF488 (donkey anti mouse) | Invitrogen | R37114 | |
AF647 (donkey anti mouse) | invitrogen | A31571 | |
AF647 (donkey anti rabbit) | Invitrogen | A31573 | |
Cy3 (donkey anti goat) | jackson research | 705-165-147 | |
DAPI (4',6-Diamidino-2-Phenylindole, Dilactate) | Invitrogen | D3571 | |
Microfluidic | |||
Chip | Dynamic 42 | BC002 | |
Male Luer Lock (small) | ChipShop | 09-0503-0270-09 | |
Male mini luer plugs, row of four,PP, green | Microfluidic chipshop | 09-0558-0336-11 | |
Male mini luer plugs, row of four,PP, opaque | Microfluidic chipshop | 09-0556-0336-09 | |
Male mini luer plugs, row of four,PP, red | Microfluidic chipshop | 09-0557-0336-10 | |
Plugs | Cole Parmer | GZ-45555-56 | |
Reservoir 4.5mL | ChipShop | 16-0613-0233-09 | |
Tubing | Dynamic 42 | ST001 | |
Equipment | |||
Autoclave | Tuttnauer | 5075 ELV | |
Centrifuge | Eppendorf | 5424 | |
CO2 Incubator | Heracell | 150i | |
Countess automated cell counter | Invitrogen | C10227 | |
Flowcytometer | BD | FACS Canto II | |
Freezer (-20 °C) | Liebherr | LCexv 4010 | |
Freezer (-80 °C) | Heraeus | Herafreeze HFU 686 | |
Fridge | Liebherr | LCexv 4010 | |
Heraeus Multifuge | Thermo Scientific | X3R | |
Microscope | Leica | DM IL LED | |
Orbital shaker | Heidolph | Reax2000 | |
Peristaltic pump | REGLO Digital MS-4/12 | ISM597D | |
Pipettes 10µL | Eppendorf Research plus | 3123000020 | |
Pipettes 100µL | Eppendorf Research plus | 3123000047 | |
Pipettes 1000µL | Eppendorf Research plus | 3123000063 | |
Pipettes 2.5µL | Eppendorf Research plus | 3123000012 | |
Pipettes 20µL | Eppendorf Research plus | 3123000039 | |
Pipettes 200µL | Eppendorf Research plus | 3123000055 | |
Scale | Sartorius | 6101 | |
Scale | Sartorius | TE1245 | |
Sterile bench | Kojair | Biowizard SL-130 | |
Waterbath | Julabo | SW-20C | |
Fluorescence Microscope Setup | |||
Apotome.2 | Zeiss | ||
Illumination device | Zeiss | HXP 120 C | |
Microscope | Zeiss | Axio Observer 5 | |
Optical Sectioning | Zeiss | ApoTome | |
Power Supply Microscope | Zeiss | Eplax Vp232 | |
Software | |||
ZEN Blue Edition | Zeiss |
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