Pomimo usilnej walki z pandemią koronawirusa oraz wprowadzeniu szczepień nadal borykamy się z problemem COVID-19. Jak wiemy, zachorowanie stanowi nie tylko poważne zagrożenie dla zdrowia i  życia, ale także grozi szeregiem powikłań powstałych na skutek infekcji. Naukowcy na całym świecie mobilizują się, by tworzyć nowe i bardziej skuteczne szczepionki oraz terapie dla osób chorych na obturacyjne zapalenie płuc (COPD) czy idiopatyczne włóknienie płuc (IPF). Aby tego dokonać niezbędne jest opracowanie nowych modeli badawczych precyzyjnie naśladujących ludzkie drogi oddechowe.

Lepszy model badawczy – biodruk tkanki płucnej

Wirus SARS-CoV-2 siejący obecnie spustoszenie w wielu krajach wykorzystuje konwertazę angiontensyny typu 2 (ACE2) jako receptor, czyli wrota do naszego organizmu. Białko to jest obecne na powierzchni komórek wielu narządów, takich jak płuca, serce, jelita czy nabłonek wyściełający naczynia krwionośne. Niezwykle ważnym faktem jest to, że ACE2 ulega umiarkowanej ekspresji [1] w komórkach płuc osób zdrowych i dużo większej u osób cierpiących na astmę, nadciśnienie czy wspomniane COPD czy IPF, a zatem takie osoby są dużo bardziej narażone na ciężkie przechorowanie infekcji.

W celu lepszego zrozumienia natury i przebiegu zakażeń koronawirusem naukowcy z zespołu Cellink postanowili posłużyć się złożonym modelem tkanki płucnej stworzonym za pomocą biofabrykacji [2]. Taki model ma niekwestionowaną przewagę nad tradycyjną hodowlą komórek in vitro w 2D używaną powszechnie w badaniach nad wirusami. Model powstały z wykorzystaniem biodruku 3D jest bliższy prawdziwym, żywym tkankom pod względem molekularnym oraz biomechanicznym. Dokładniejsze odwzorowanie złożoności narządów pozwala na lepsze poznanie interakcji między wirusami a komórkami gospodarza, co przekłada się na tworzenie skuteczniejszych rozwiązań w walce z tymi mikroorganizmami.

Do stworzenia modelu płuc naukowcy wykorzystali trzy linie komórkowe: linię ludzkich komórek nabłonka oskrzeli HBEpC, linię nabłonkową Calu-3 oraz linię ludzkich fibroblastów płuc HPF. Fibroblasty zostały zmieszanie z biotuszem zawierającym metakrylan żelatyny [3] oraz lamininę [4] i wydrukowane w formie dysku jako element wspierający dla pozostałych komórek nabłonkowych. Po trzech dniach inkubacji konstrukt zasiano komórkami dwóch pozostałych linii nabłonkowych tworząc hodowlę ALI (ang. air liquid inteface)[5].

[1] ekspresja genów to proces, w którym informacja genetyczna zawarta w genie zostaje odczytana i przepisana na jego produkty (np. białka).
[2] Biofabrykacja to produkcja złożonych konstruktów biologicznych przy użyciu surowych materiałów takich jak żywe komórki, biomateriały czy macierze.
[3] Metakrylan żelatyny to polimer powszechnie stosowany jako biotusz w biodruku 3D.
[4] Lamininia to glikoproteina odgrywająca istotną rolę w oddziaływaniu komórek nabłonka i śródbłonka ze składnikami błony podstawnej.
[5] Hodowla ALI to typ hodowli komórkowej, w której dolne warstwy komórek zanurzone są w medium hodowlanym, a górne wystawione na działanie powietrza.

Funkcjonalne płuca na szalce? To nic trudnego!

Analiza wytworzonych konstruktów wykazała, że model nie tylko zachował swój kształt i integralność na czas całego doświadczenia, ale również wytworzył odpowiednie mikrośrodowisko do hodowli zasianych w nim komórek. Barwienie histologiczne udowodniło, że po siedmiu dniach od zasiania komórek nabłonkowych na powierzchni dysku utworzyły one ciasną monowarstwę. Dodatkowo wykonano znakowanie komórek przeciwciałami w celu zbadania poziomu ACE2 oraz mucyny 5AC [6]. Obie linie nabłonkowe wykazały ekspresję tych dwóch substancji, potwierdzając tym samym prawidłowe działanie stworzonego modelu tkanki płucnej.

[6] Mucyna 5AC to glikoproteina chroniąca drogi oddechowe przed infekcjami poprzez wiązanie się z patogenami. Jej nadprodukcję obserwuje się przy zachorowaniu na astmę czy COPD.

Biofabrykacja – przyjaciel medycyny

Dzięki biofabrykacji możliwe jest tworzenie innowacyjnych rozwiązań z zakresu biotechnologii i medycyny. Duża precyzja odwzorowania tkanek w biodruku 3D w aspektach fizjologicznym i anatomicznym umożliwia dokładną analizę procesów w nich zachodzących jak również wysoko przepustowe testowanie nowych substancji leczniczych. Dodatkowo, zastąpienie modeli 2D modelami przestrzennymi przyczynia się do ograniczania udziału zwierząt w badaniach klinicznych, co jest niezwykle ważne ze względów etycznych.

Autor: Aysia Khan
Źródło: Biofabricating Airway Epithelial Models for COVID-19 Research