Вирус повреждает тонкие воздушные мешочки, похожие на воздушный шар, известные как альвеолы, что приводит к пневмонии и острой респираторной недостаточности, что является основной причиной смерти пациентов с Covid-19. Но в исследованиях Covid-19 ученым мешало отсутствие экспериментальных моделей, имитирующих ткани легких человека.
Теперь команда во главе с клеточным биологом Дьюка Пурушотхамой Рао Тата разработала модель с использованием «органоидов легких», также названных «мини-легкие в чашке». Органоиды выращиваются из клеток альвеолярного эпителия типа 2 (AT2), которые представляют собой стволовые клетки, которые восстанавливают самые глубокие части легких, где атакует SARS-CoV-2.
Более ранние исследования в Duke показали, что всего одна клетка AT2, выделенная в крошечные чашки, может размножаться, чтобы произвести миллионы клеток, которые собираются в шарообразные органоиды, похожие на альвеолы. Однако «суп», в котором выращивали клетки, содержал сложные ингредиенты, такие как сыворотка коров, которая полностью не определена.
Группа Таты взяла на себя серьезную задачу по прогнозированию и тестированию множества комбинаций химически чистых факторов, которые также могли бы выполнять эту работу, проблема, которая требовала тесного сотрудничества с совместно используемым вычислительным кластером Duke.
В результате получился чисто человеческий органоид без каких-либо вспомогательных клеток. Мини-легкие, выращенные в крошечных лунках, сделают возможным высокопроизводительную науку, в которой можно проводить сотни экспериментов одновременно для скрининга новых кандидатов в лекарственные препараты или выявления химических веществ самозащиты, вырабатываемых клетками легких в ответ на инфекцию.
«Это универсальная модельная система, которая позволяет нам изучать не только SARS-CoV-2, но и любой респираторный вирус, поражающий эти клетки, включая грипп», – сказал Тата.
Документ, описывающий развитие мини-легких и некоторые ранние эксперименты с коронавирусной инфекцией, появился в начале октября в Интернете. 21 в журнале Cell Stem Cell.
Используя мини-легкие для изучения инфекции SARS-CoV-2, команда Таты сотрудничала с коллегами-вирусологами из Дьюка и Университета Северной Каролины в Чапел-Хилл. Чтобы безопасно бороться с этими смертоносными вирусами, исследователи использовали современные объекты уровня биобезопасности 3 в Duke и UNC-CH для заражения органоидов легких.
Исследователи наблюдали за активностью генов и химическими сигналами, которые вырабатываются клетками легких после заражения.
«Это крупный прорыв в этой области, потому что мы использовали клетки, которые не имели очищенных культур», – сказал Ральф Барик, соавтор статьи, выдающийся профессор эпидемиологии, микробиологии и иммунологии в UNC и мировой авторитет. на коронавирусы. Мини-легкие Герцога на 100% состоят из человеческих клеток и не имеют поддерживающих клеток, которые могли бы сбить с толку выводы. «Это невероятно элегантная работа по выяснению того, как очищать и выращивать клетки AT2 в культуре в чистом виде», – сказал Барич.
Лаборатория Барика способна по желанию изменить любой нуклеотид генетического кода вируса Covid-19, поэтому была получена светящаяся версия, которая покажет, куда он попал в мини-легких, подтверждая, что он действительно остановился на критически важной клеточной поверхности ACE2. рецептор, приводящий к инфекции.
Было показано, что при заражении вирусом органоиды вызывают воспалительную реакцию, опосредованную интерферонами. Исследователи также стали свидетелями цитокиновой бури иммунных молекул, запускаемых легкими в ответ на вирус.
«Считалось, что цитокиновый шторм произошел из-за большого притока иммунных клеток, но мы видим, что это также происходит в самих стволовых клетках легких», – сказал Тата.
Лаборатория Таты обнаружила, что клетки продуцируют интерфероны и испытали саморазрушающуюся гибель клеток, как показали образцы от пациентов с Covid-19. Сигнал к клеточному самоубийству иногда запускался и в неинфицированных соседних клетках легких, поскольку клетки изо всех сил пытались опередить вирус. Исследователи также сравнили паттерны активности генов в мини-легких и образцах от шести пациентов с тяжелым Covid-19 и обнаружили, что они согласны с «поразительным сходством»."
«До сих пор мы могли видеть это только при вскрытии», – сказал Тата. "Теперь у нас есть способ выяснить, как активизировать клетки для борьбы с этим смертельным вирусом."
В другой серии экспериментов мини-легкие, обработанные низкими дозами интерферонов до заражения, смогли замедлить копирование вируса. Но подавление активности интерферона до заражения привело к усилению репликации вируса.
Тата, который является участником инициативы Герцога по регенеративной медицине Regeneration Next, сказал, что его лаборатория работала над выращиванием мини-легких в середине 2019 года и достигла рабочей модели, как только возникла пандемия коронавируса. Он сказал, что его группа будет работать как с академическими, так и с промышленными партнерами, чтобы использовать эти клетки для клеточной терапии и, в конечном итоге, попытаться вырастить полное легкое для трансплантации.
Барик сказал, что его лаборатория, вероятно, будет использовать мини-легкие, чтобы лучше понять новый штамм SARS-CoV-2 под названием D614G, который стал доминирующей версией вируса. Этот штамм, появившийся в Италии, имеет спайковый белок, который, по-видимому, более эффективно распознает рецептор ACE2 на клетках легких, что делает его еще более заразным.
Это исследование было проведено при поддержке Фонда Чана Цукерберга, U.S.
Национальные институты здравоохранения (UC6-AI058607, AI132178, AI149644, R00HL127181, R01HL146557, R01HL153375, R21GM1311279, F30HL143911, DK065988), Университет Дьюка и United Therapeutics Corporation.