Los minipulmones cultivados en laboratorio imitan lo real, hasta la infección por covid

IMAGEN

IMAGEN: Una única célula madre pulmonar se copió a sí misma para generar miles de células y generar una estructura en forma de burbuja que se asemeja a los tejidos respiratorios del pulmón humano. Estas son las células que… ver más

Crédito: Arvind Konkimalla / Tata lab, Duke University

DURHAM, N. C. — Un equipo de investigadores de la Universidad de Duke ha desarrollado un modelo de pulmón vivo desarrollado en laboratorio que imita los diminutos sacos de aire de los pulmones donde se produce la infección por coronavirus y el daño pulmonar grave. Este avance les ha permitido observar la batalla entre el coronavirus del SARS-CoV-2 y las células pulmonares a la mejor escala molecular.

El virus daña los delicados sacos aéreos en forma de globo, conocidos como alvéolos, lo que provoca neumonía y dificultad respiratoria aguda, la principal causa de muerte en pacientes con Covid-19. Pero los científicos se han visto obstaculizados en los estudios de la Covid-19 por la falta de modelos experimentales que imiten los tejidos pulmonares humanos.

Ahora, un equipo dirigido por el biólogo de Duke cell, Purushothama Rao Tata, ha desarrollado un modelo que utiliza «organoides pulmonares», también llamados mini-pulmones en un plato. Los organoides se cultivan a partir de células epiteliales alveolares de tipo 2 (AT2), que son las células madre que reparan las partes más profundas de los pulmones donde ataca el SARS-CoV-2.

Investigaciones anteriores en Duke habían demostrado que solo una célula AT2, aislada en pequeños platos, podía multiplicarse para producir millones de células que se ensamblan en organoides en forma de globo que se parecen a los alvéolos. Sin embargo, la «sopa» en la que se cultivaron las células contenía ingredientes complejos, como el suero de vacas, que no está completamente definido.

El grupo de Tata asumió el gran desafío de predecir y probar muchas combinaciones de factores químicamente puros que harían el trabajo igual de bien, un problema que requería una estrecha cooperación con el clúster de computación compartida de Duke.

El resultado es un organoide puramente humano sin células auxiliares. Los minipulmones cultivados en pequeños pozos permitirán la ciencia de alto rendimiento, en la que se pueden realizar cientos de experimentos simultáneamente para detectar nuevos candidatos a medicamentos o para identificar productos químicos de autodefensa producidos por las células pulmonares en respuesta a la infección.

«Este es un sistema modelo versátil que nos permite estudiar no solo el SARS-CoV-2, sino cualquier virus respiratorio que se dirija a estas células, incluida la gripe», dijo Tata. Un artículo que describe el desarrollo de los mini pulmones y algunos experimentos tempranos con la infección por coronavirus apareció a principios de octubre en línea. 21 en la revista Cell Stem Cell.

En el uso de mini pulmones para estudiar la infección por SARS-CoV-2, el equipo de Tata colaboró con colegas de virología en Duke y la Universidad de Carolina del Norte en Chapel Hill. Para manejar con seguridad estos virus mortales, los investigadores utilizaron instalaciones de nivel 3 de bioseguridad de última generación en Duke y UNC-CH para infectar organoides pulmonares. Los investigadores observaron la actividad génica y las señales químicas que producen las células pulmonares después de la infección.

» Este es un gran avance para el campo porque estábamos utilizando células que no tenían cultivos purificados», dijo Ralph Baric, coautor del artículo que es profesor distinguido de epidemiología, microbiología e inmunología en la UNC y autoridad mundial de coronavirus. Los mini pulmones de Duke son 100 por ciento humanos sin células de soporte que podrían confundir los hallazgos. «Este es un trabajo increíblemente elegante para descubrir cómo purificar y cultivar células AT2 en cultivo en forma pura», dijo Baric.

El laboratorio de Baric es capaz de cambiar cualquier nucleótido del código genético del virus Covid-19 a voluntad, por lo que produjo una versión brillante que revelaría a dónde fue en los mini-pulmones, confirmando que realmente se concentró en el receptor crucial de la superficie celular ACE2, lo que llevó a la infección.

Cuando se infectaron con el virus, se demostró que los organoides lanzaban una respuesta inflamatoria mediada por interferones. Los investigadores también han sido testigos de la tormenta de citoquinas de moléculas inmunitarias que los pulmones lanzan en respuesta al virus.

«Se pensaba que la tormenta de citoquinas ocurrió debido a la gran afluencia de células inmunitarias, pero podemos ver que también sucede en las propias células madre pulmonares», dijo Tata.

El laboratorio de Tata encontró que las células produjeron interferones y experimentaron muerte celular autodestructiva, tal como lo han demostrado las muestras de pacientes con Covid-19. La señal de suicidio celular a veces también se activaba en células pulmonares vecinas no infectadas, ya que las células luchaban para adelantarse al virus. Los investigadores también compararon los patrones de actividad génica entre los mini pulmones y las muestras de seis pacientes graves con Covid-19 y encontraron que estaban de acuerdo con «una sorprendente similitud».»

» Hasta ahora solo hemos podido ver esto a partir de autopsias», dijo Tata. «Ahora tenemos una manera de descubrir cómo energizar las células para luchar contra este virus mortal.»

En otra serie de experimentos, los mini pulmones tratados con dosis bajas de interferones antes de la infección fueron capaces de retrasar la copia viral. Pero la supresión de la actividad del interferón antes de la infección condujo a un aumento de la replicación viral.

Tata, que forma parte de la iniciativa de medicina regenerativa de Duke, Regeneration Next, dijo que su laboratorio estaba trabajando en el crecimiento de los mini pulmones a mediados de 2019 y había logrado un modelo de trabajo justo cuando surgió la pandemia de coronavirus. Dijo que su grupo trabajará con socios académicos y de la industria para usar estas células para terapias basadas en células y, finalmente, para tratar de cultivar un pulmón completo para trasplante.

Baric dijo que su laboratorio probablemente utilizará los mini pulmones para comprender mejor una nueva cepa de SARS-CoV-2 llamada D614G que se ha convertido en la versión dominante del virus. Esta cepa, que surgió en Italia, tiene una proteína de pico que aparentemente es más eficiente para reconocer el receptor ACE2 en las células pulmonares, lo que la hace aún más infecciosa.

Esta investigación se realizó con el apoyo de la Fundación Chan Zuckerberg, los Institutos Nacionales de Salud de los Estados Unidos (UC6-AI058607, AI132178, AI149644, R00HL127181, R01HL146557, R01HL153375, R21GM1311279, F30HL143911, DK065988), Duke University y United Therapeutics Corporation.

CITA: «Human Lung Alveolospheres Provide Insights Into SARS-Cov-2 Mediated Interferon Responses and Pneumocyte Dysfunction», Hiroaki Katsura*, Vishwaraj Sontake*, Aleksandra Tata*, Yoshihiko Kobayashi*, Caitlin E. Edwards*, Brook E. Heaton, Arvind Konkimalla, Takanori Asakura, Yu Mikami, Ethan J. Fritch, Patty J. Lee, Nicholas S. Heaton, Richard C. Boucher, Scott H. Randell, Ralph S. Baric, Purushothama Rao Tata.* indica coautores. Células Madre, principios de octubre en línea. 21, 2020. DOI: 10.1016 / j.stem.2020.10.005

Deja una respuesta

Tu dirección de correo electrónico no será publicada.