Lab-dyrkede mini-lunger efterligner den rigtige ting-helt ned til covid-infektion

billede

billede: en enkelt lungestamcelle kopierede sig selv for at generere tusinder af celler og generere en boblelignende struktur, der ligner åndedrætsvæv i den menneskelige lunge. Det er de celler, der… se mere

kredit: Arvind Konkimalla / Tata lab, Duke University

DURHAM, N. C. — Et team af Duke University-forskere har udviklet en laboratoriedyrket levende lungemodel, der efterligner de små luftsække i lungerne, hvor coronavirusinfektion og alvorlig lungeskade finder sted. Dette fremskridt har gjort det muligt for dem at se kampen mellem SARS-CoV-2 coronavirus og lungeceller i den fineste molekylære skala.

virussen beskadiger de sarte, ballonlignende luftsække, kendt som alveoler, hvilket fører til lungebetændelse og akut åndedrætsbesvær, den største dødsårsag hos Covid-19 patienter. Men forskere er blevet hæmmet i Covid-19-undersøgelser af manglen på eksperimentelle modeller, der efterligner humane lungevæv.

nu har et hold ledet af Duke cell biolog Purushothama Rao Tata udviklet en model ved hjælp af “lung organoids”, også kaldet mini-lunger i en skål. Organoiderne dyrkes fra alveolære epitel type-2 celler (AT2s), som er stamcellerne, der reparerer de dybeste dele af lungerne, hvor SARS-CoV-2 angriber.

tidligere forskning ved Duke havde vist, at kun en AT2-celle, isoleret i små retter, kunne formere sig for at producere millioner af celler, der samler sig i ballonlignende organoider, der ligner alveoler. Imidlertid indeholdt” suppen”, hvor cellerne blev dyrket, komplekse ingredienser såsom serum fra køer, der ikke er fuldstændigt defineret.

Tatas gruppe tog den store udfordring at forudsige og teste mange kombinationer af kemisk rene faktorer, der ville gøre jobbet lige så godt, et problem, der krævede tæt samarbejde med Duke ‘ s shared computing cluster.

resultatet er et rent menneskeligt organoid uden hjælperceller. Mini-lunger dyrket i små brønde vil muliggøre videnskab med høj kapacitet, hvor hundreder af eksperimenter kan køres samtidigt for at screene for nye lægemiddelkandidater eller for at identificere selvforsvarskemikalier produceret af lungeceller som reaktion på infektion.

“dette er et alsidigt modelsystem, der giver os mulighed for at studere ikke kun SARS-CoV-2, men enhver respiratorisk virus, der er målrettet mod disse celler, herunder influens,” sagde Tata. Et papir, der beskriver udviklingen af mini-lungerne og nogle tidlige eksperimenter med coronavirusinfektion, dukkede op tidligt online okt. 21 i tidsskriftet Cell Stem Cell.

ved at bruge mini-lunger til at studere SARS-CoV-2-infektion samarbejdede Tatas team med virologikolleger ved Duke og University of North Carolina i Chapel Hill. For sikkert at håndtere disse dødbringende vira anvendte forskerne state-of-the art biosikkerhedsniveau 3 faciliteter på Duke og UNC-CH for at inficere lungeorganoider. Forskerne så på genaktiviteten og kemiske signaler, der produceres af lungecellerne efter infektion.

“dette er et stort gennembrud for feltet, fordi vi brugte celler, der ikke havde rensede kulturer,” sagde Ralph Baric, en medforfatter på papiret, der er en fremtrædende professor i epidemiologi, mikrobiologi og immunologi ved UNC og verdensautoritet om coronavirus. Duke mini-lungerne er 100 procent menneskelige uden understøttende celler, der kan forvirre fund. “Dette er utroligt elegant arbejde for at finde ud af, hvordan man renser og vokser AT2-celler i kultur i ren form,” sagde Baric.

Barics laboratorium er i stand til at ændre ethvert nukleotid af Covid-19-virusets genetiske kode efter ønske, så det producerede en glødende version, der afslørede, hvor den gik i mini-lungerne, hvilket bekræftede, at den faktisk kom ind på den afgørende ACE2-celleoverfladereceptor, hvilket førte til infektion.

når de blev inficeret med virussen, blev organoiderne vist at starte en inflammatorisk respons medieret af interferoner. Forskerne har også været vidne til cytokinstormen af immunmolekyler, som lungerne lancerer som reaktion på virussen.

“man troede, at cytokinstorm skete på grund af den store tilstrømning af immunceller, men vi kan se, at det også sker i lungestamcellerne selv,” sagde Tata.

Tatas laboratorium fandt, at cellerne producerede interferoner og oplevede selvdestruktiv celledød, ligesom prøver fra Covid-19-patienter har vist. Signalet for cellemord blev undertiden også udløst i uinficerede nærliggende lungeceller, da cellerne kæmpede for at komme foran virussen. Forskerne sammenlignede også genaktivitetsmønstrene mellem mini-lungerne og prøver fra seks alvorlige Covid-19-patienter og fandt, at de var enige i “slående lighed.”

“vi har kun kunnet se dette fra obduktioner indtil nu,” sagde Tata. “Nu har vi en måde at finde ud af, hvordan vi får cellerne til at bekæmpe denne dødbringende virus.”

i en anden række eksperimenter var mini-lunger behandlet med lave doser interferoner før infektion i stand til at bremse viral kopiering. Men undertrykkelse af interferonaktivitet før infektion førte til øget viral replikation.

Tata, der er en del af Duke ‘ s regenerative medicine initiative, regenerering næste, sagde, at hans laboratorium arbejdede på at dyrke mini-lungerne i midten af 2019 og havde opnået en arbejdsmodel, ligesom coronaviruspandemien opstod. Han sagde, at hans gruppe vil arbejde sammen med både akademiske og industripartnere for at bruge disse celler til cellebaserede terapier og til sidst forsøge at dyrke en komplet lunge til transplantation.

Baric sagde, at hans laboratorium sandsynligvis vil bruge mini-lungerne til bedre at forstå en ny stamme af SARS-CoV-2 kaldet D614G, der er blevet den dominerende version af virussen. Denne stamme, der opstod i Italien, har et spidsprotein, der tilsyneladende er mere effektivt til at genkende ACE2-receptoren på lungeceller, hvilket gør det endnu mere infektiøst.

denne forskning blev udført med støtte fra Chan-Fonden, US National Institutes of Health (UC6-Ai058607, Ai132178, AI149644, R00HL127181, R01HL146557, R01HL153375, R21GM1311279, F30HL143911, dk065988), Duke University og United Therapeutics Corporation.

citat: “menneskelige Lungealveolosfærer giver indsigt i SARS-Cov-2-medierede Interferonresponser og Pneumocytdysfunktion,” Hiroaki Katsura*, Vishvaraj Sontake*, Aleksandra Tata*, Yoshihiko Kobayashi*, Caitlin 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.* angiver co – første forfattere. Cellestamcelle, tidligt online okt. 21, 2020. DOI: 10.1016 / j. stem.2020.10.005

Skriv et svar

Din e-mailadresse vil ikke blive publiceret.