«Дышащие» лёгкие-на-чипе включились в борьбу с туберкулёзом

Британские и швейцарские учёные разработали новую модель лёгких-на-чипе, которая полностью собрана из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (иПСК) одного донора. Крайне важно было получить правильное соотношение клеток — плоские альвеолярные клетки I типа, обменивающиеся кислородом и углекислым газом, а также рассеянные клетки II типа, секретирующие сурфактант. Результаты этого удачного эксперимента опубликованы в журнале Science.

Группа исследователей потратила несколько месяцев на поиски единой культуральной среды, которая бы одновременно поддерживала жизнеспособность эпителиальных, эндотелиальных и иммунных клеток. Некоторые клетки находились на устройстве до 22 дней.

Выборочное секвенирование РНК примерно 27 тысяч отдельных клеток подтвердило эффективность проделанной работы: клеточные профили чипа точно совпали с профилями клеток легких человека. Но анализ также выявил нечто неожиданное. Эндотелиальные клетки на сосудистой стороне изменяли поведение макрофагов на стороне дыхательных путей, направляя иммунные субпопуляции к фагоцитозу и презентации антигенов. Без эндотелиальных клеток макрофаги переходили в спокойное, переходное состояние. По-видимому, считают авторы, легкие «полагаются» на свои кровеносные сосуды для оснащения своих иммунных стражей.

Затем аппарат начал «дышать». В отличие от систем, которые растягивают клетки в двух измерениях, устройство AlveoliX использует отрицательное давление, имитирующее натяжение диафрагмы, для создания трехмерной кривизны. Данные чипа показали, что это механическое растяжение существенно изменило иммунные пути для всех трех типах клеток.

Когда учёные «заразили» устройство штаммом M. tuberculosis H37Rv, инфекция протекала иначе, чем в обычной культуре клеток, в которой бактерии часто поражают клетки хозяина в течение нескольких дней. Здесь же патоген поглотили как макрофаги, так и эпителиальные клетки, но большинство из них не были восприимчивы к размножению, то есть бактерии проникли внутрь, но не размножились. Рост был медленным.

В некоторых местах макрофаги начали собираться в большие скопления, при этом в центре находились мертвые клетки, живые макрофаги давили с краев, а бактерии размножались внутри некротического ядра. Эти структуры на ранней стадии развития напоминали гранулемы — еще не созревшие, но приближающиеся к этому состоянию.

Одно из заметных упущений: чип не показал образования тяжей M.tuberculosis, то есть роста вирулентных бактерий в виде веревкообразных структур. Исследование 2023 года, проведенное на основе традиционной модели лёгкого-на-чипе, показало, что образование тяжей способствует уклонению от иммунного ответа и развитию устойчивости к антибиотикам. Авторы считают это перспективным фактором, который стоит изучить в будущем применительно к различным генетическим характеристикам доноров.

Учёные подчеркнули, что несмотря на оптимистичные результаты, следует учитывать, что в легких-на-чипе имеется всего четыре из 40 типов клеток и отсутствует полноценная иммунная система, так что прогнозирование индивидуальной реакции пациентов остается лишь теоретической задачей на данный момент и, вероятно, будет доступно в будущем. На этом устройстве еще не тестировались никакие лекарства, а эксперименты по изучению дыхания с использованием живых бактерий, в том числе возбудителей туберкулёза, всё ещё продолжаются.

Материал подготовлен редакцией Remedium при участии журнала «Медицинский совет».