Wyhodowane w laboratorium mini-płuca naśladują to, co prawdziwe – aż do zakażenia covid

obraz

obraz: pojedyncza płucna komórka macierzysta skopiowała się, aby wygenerować tysiące komórek i wygenerować strukturę podobną do pęcherzyków, która przypomina oddychanie tkanek ludzkiego płuc. To są komórki, które… Zobacz więcej

kredyt: Arvind Konkimalla / Tata lab, Duke University

DURHAM, N. C. — Zespół naukowców z Duke University opracował laboratoryjny model żywego płuc, który naśladuje małe worki powietrzne płuc, w których dochodzi do zakażenia koronawirusem i poważnego uszkodzenia płuc. Ten postęp umożliwił im oglądanie walki między koronawirusem SARS-CoV-2 a komórkami płuc w najlepszej skali molekularnej.

wirus uszkadza delikatne, przypominające balony worki powietrzne, znane jako pęcherzyki płucne, prowadząc do zapalenia płuc i ostrej niewydolności oddechowej, głównej przyczyny śmierci pacjentów z Covid-19. Ale naukowcy byli utrudniani w badaniach Covid-19 przez brak modeli eksperymentalnych, które naśladują ludzkie tkanki płucne.

teraz zespół kierowany przez biologa Purushothamę Rao Tata opracował model wykorzystujący „organoidy płuc”, zwane również mini-płucami w naczyniu. Organoidy są hodowane z komórek nabłonka pęcherzykowego typu 2 (AT2s), które są komórkami macierzystymi, które naprawiają najgłębsze części płuc, w których atakuje SARS-CoV-2.

wcześniejsze badania w Duke wykazały, że tylko jedna komórka AT2, wyizolowana na małe naczynia, może się namnażać, aby wytworzyć miliony komórek, które zbierają się w balonowe organoidy, które wyglądają jak pęcherzyki płucne. Jednak „zupa”, w której hodowano komórki, zawierała złożone składniki, takie jak serum od krów, które nie jest całkowicie zdefiniowane.

Grupa taty podjęła duże wyzwanie przewidywania i testowania wielu kombinacji chemicznie czystych czynników, które wykonałyby zadanie równie dobrze, co problem, który wymagał ścisłej współpracy ze wspólnym klastrem obliczeniowym Duke ’ a.

rezultatem jest czysto ludzki organoid bez żadnych komórek pomocniczych. Mini-płuca hodowane w małych studniach umożliwią naukę o wysokiej przepustowości, w której setki eksperymentów mogą być prowadzone jednocześnie w celu wykrycia nowych kandydatów na leki lub identyfikacji chemikaliów samoobrony wytwarzanych przez komórki płuc w odpowiedzi na infekcję.

„jest to wszechstronny system modelowy, który pozwala nam badać nie tylko SARS-CoV-2, ale każdy wirus układu oddechowego, który atakuje te komórki, w tym grypę”, powiedział Tata. Artykuł opisujący rozwój mini-płuc i kilka wczesnych eksperymentów z zakażeniem koronawirusem pojawił się wcześnie w Internecie. 21 w czasopiśmie Cell Stem Cell.

wykorzystując mini-płuca do badania infekcji SARS-CoV-2, zespół Tata współpracował z wirusologami z Duke i University of North Carolina w Chapel Hill. Aby bezpiecznie radzić sobie z tymi śmiertelnymi wirusami, naukowcy wykorzystali najnowocześniejsze urządzenia bezpieczeństwa biologicznego poziomu 3 w Duke i UNC-CH do infekcji organoidów płuc. Naukowcy obserwowali aktywność genów i sygnały chemiczne, które są wytwarzane przez komórki płuc po infekcji.

„jest to poważny przełom w tej dziedzinie, ponieważ używaliśmy komórek, które nie miały oczyszczonych kultur”, powiedział Ralph Baric, współautor artykułu, który jest wybitnym profesorem epidemiologii, mikrobiologii i Immunologii w UNC i światowym autorytecie ds. koronawirusów. Mini-płuca Duke ’ a są w 100% ludzkie, bez komórek wspierających, które mogłyby zmylić wyniki. „Jest to niezwykle elegancka praca, aby dowiedzieć się, jak oczyścić i rozwijać komórki AT2 w kulturze w czystej postaci”, powiedział Baric.

laboratorium Barica jest w stanie dowolnie zmieniać każdy nukleotyd kodu genetycznego wirusa Covid – 19, więc stworzyło świecącą wersję, która ujawniłaby, gdzie trafił do mini-płuc, potwierdzając, że rzeczywiście znalazł się w kluczowym receptorze powierzchniowym komórki ACE2, co doprowadziło do infekcji.

w przypadku zakażenia wirusem wykazano, że organoidy wywołują reakcję zapalną za pośrednictwem interferonów. Naukowcy byli również świadkami burzy cytokin cząsteczek odpornościowych, które płuca uruchamiają w odpowiedzi na wirusa.

„uważano, że burza cytokin nastąpiła z powodu dużego napływu komórek odpornościowych, ale widzimy, że dzieje się to również w samych komórkach macierzystych płuc” – powiedział Tata.

laboratorium taty odkryło, że komórki wytwarzają interferony i doświadczają autodestrukcyjnej śmierci komórek, tak jak wykazały próbki od pacjentów z Covid-19. Sygnał do samobójstwa komórek był czasami wyzwalany w niezakażonych sąsiednich komórkach płuc, jak również, jak komórki starały się wyprzedzić wirusa. Naukowcy porównali również wzorce aktywności genów między mini-płucami a próbkami od sześciu ciężkich pacjentów z Covid-19 i stwierdzili, że zgadzają się z ” uderzającym podobieństwem.

do tej pory widzieliśmy to tylko z autopsji „Teraz mamy sposób, aby dowiedzieć się, jak pobudzić komórki do walki z tym śmiertelnym wirusem.”

w innej serii eksperymentów mini-płuca, którym podawano małe dawki interferonów przed zakażeniem, były w stanie spowolnić kopiowanie wirusa. Jednak hamowanie aktywności interferonu przed zakażeniem prowadziło do zwiększonej replikacji wirusa.

Tata, który jest częścią Duke ’ s regenerative medicine initiative, Regeneration Next, powiedział, że jego laboratorium pracuje nad uprawą mini płuc w połowie 2019 roku i osiągnęło działający model, podobnie jak pojawiła się pandemia koronawirusa. Powiedział, że jego grupa będzie współpracować zarówno z partnerami akademickimi, jak i przemysłowymi, aby wykorzystać te komórki do terapii opartych na komórkach i ostatecznie spróbować wyhodować kompletne płuco do przeszczepu.

Baric powiedział, że jego laboratorium prawdopodobnie będzie używać mini-płuc, aby lepiej zrozumieć nowy szczep SARS-CoV-2 o nazwie D614G, który stał się dominującą wersją wirusa. Szczep ten, który pojawił się we Włoszech, ma białko spike, które jest najwyraźniej skuteczniejsze w rozpoznawaniu receptora ACE2 na komórkach płuc, co czyni go jeszcze bardziej zakaźnym.

to badanie zostało przeprowadzone przy wsparciu Chan Zuckerberg Foundation, U. S. National Institutes of Health (UC6-AI058607, AI132178, AI149644, R00HL127181, R01HL146557, R01HL153375, R21GM1311279, F30HL143911, dk065988), Duke University i United Therapeutics Corporation.

cytowanie: „pęcherzyki płucne człowieka dostarczają informacji o odpowiedziach interferonu za pośrednictwem SARS-Cov-2 i dysfunkcji Pneumocytów” 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.* wskazuje współautorów. Cell Stem Cell, early Online Oct. 21, 2020. DOI: 10.1016 / j.stem.2020.10.005

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany.