Forscher des Francis Crick Institute und von AlveoliX haben das erste menschliche „Lungen-auf-einem-Chip“-Modell entwickelt, das auf Stammzellen basiert, die von nur einer Person stammen.
Diese Chips simulieren Atembewegungen und Lungenerkrankungen bei einem Individuum und bieten vielversprechende Möglichkeiten, Behandlungen für Infektionen wie Tuberkulose (TB) zu testen und personalisierte Medizin bereitzustellen.
Die Lungenbläschen, die sogenannten Alveolen, sind der wichtigste Ort des Gasaustauschs und gleichzeitig eine wichtige Barriere gegen eingeatmete Viren und Bakterien, die Atemwegserkrankungen wie Grippe oder Tuberkulose verursachen.
Forscher arbeiten daran, den Kampf zwischen menschlichen Zellen und Bakterien im Labor nachzubilden, indem sie eine Art „Lunge auf einem Chip“ entwickeln: kleine Einheiten der menschlichen Lunge auf einem Kunststoffchip mit winzigen Kanälen und Kammern. In diesem Fall wollten sie die Lungenbläschen nachbilden, um zu verstehen, wie diese auf Infektionen reagieren.
Bislang wurden diese „Lunge-auf-einem-Chip“-Geräte aus einer Mischung von patienteneigenen und kommerziell erhältlichen Zellen hergestellt, was bedeutet, dass sie die Lungenfunktion oder den Krankheitsverlauf eines einzelnen Individuums nicht vollständig nachbilden können.
In einer heute in Science Advances veröffentlichten Studie entwickelte das Team des Crick ein neues Lungen-auf-einem-Chip-Modell, das ausschließlich genetisch identische Zellen enthält, die von Stammzellen eines einzigen Spenders stammen.
Basierend auf einem zuvor im Labor entwickelten Protokoll produzierte das Team alveoläre Epithelzellen des Typs I und II sowie vaskuläre Endothelzellen aus induzierten pluripotenten Stammzellen des Menschen – Zellen, die sich praktisch zu jedem Zelltyp des Körpers entwickeln können. Diese Epithel- und Endothelzellen werden separat auf der Ober- und Unterseite einer sehr dünnen Membran in einem Gerät des Biotechnologieunternehmens AlveoliX kultiviert, um eine Alveolarkapillarbarriere nachzubilden.
Um die menschliche Lunge noch besser zu simulieren, hat AlveoliX spezielle Geräte entwickelt, die rhythmische, dreidimensionale Dehnungskräfte auf die nachgebildete Alveolarkammer ausüben und so die Atembewegung nachahmen. Dies stimuliert die Bildung von Mikrovilli, einem wichtigen Merkmal der Alveolarepithelzellen, um die Oberfläche für die Lungenfunktion zu vergrößern (Abbildung).
Anschließend fügten die Wissenschaftler Immunzellen, sogenannte Makrophagen, in den Chip ein, die wiederum aus den Stammzellen desselben Spenders gewonnen wurden, bevor sie TB-Bakterien hinzufügten, um die frühen Stadien der Krankheit zu simulieren.
In den mit Tuberkulose infizierten Chips beobachtete das Team große Makrophagenansammlungen mit „nekrotischen Kernen“ – einer Gruppe abgestorbener Makrophagen im Zentrum, umgeben von lebenden Makrophagen. Fünf Tage nach der Infektion kollabierten schließlich die Endothel- und Epithelzellbarrieren, was auf einen Funktionsverlust der Luftsäcke hindeutet.
https://doi.org/10.1126/sciadv.aea9874
