我们描述了一种用于感染气道的三维共培养模型的实验方案,该模型在气液界面处建立,使用CFBE41o-细胞、THP-1巨噬细胞和Pseudomonas aeruginosa。该模型提供了一个新平台,可同时检测抗生素疗效、上皮屏障功能以及炎症标志物。
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我们描述了一种用于感染气道的三维共培养模型的实验方案,该模型在气液界面处建立,使用CFBE41o-细胞、THP-1巨噬细胞和Pseudomonas aeruginosa。该模型提供了一个新平台,可同时检测抗生素疗效、上皮屏障功能以及炎症标志物。
针对肺部感染治疗的药物研究正朝着高复杂性的预测性体外模型方向发展。在肺部模型中,细菌的多重存在可重新调整上皮细胞的排列结构,同时免疫细胞在微环境中协调针对细菌的炎症反应。尽管体内模型一直是囊性纤维化背景下测试新型抗感染药物的首选,但其仍无法准确模拟人类此类疾病的体内真实状况及治疗效果。基于人源细胞(支气管上皮细胞和巨噬细胞)和相关病原体构建的复杂体外感染气道模型有望填补这一空白,并促进新型抗感染药物向临床应用的转化。为此,已建立一种人囊性纤维化支气管上皮细胞系CFBE41o-与THP-1单核细胞来源巨噬细胞的共培养模型,用于模拟铜绿假单胞菌(P. aeruginosa)在气液界面(ALI)条件下对人支气管黏膜的感染。该模型可在七天内构建完成,并可同时评估以下参数:上皮屏障完整性、巨噬细胞跨膜迁移、细菌存活率以及炎症反应。本方案描述了一种稳健且可重复的系统,可用于评估药物疗效及宿主反应,对发现新型抗感染药物及其肺部气溶胶递送的优化具有重要意义。
Pseudomonas aeruginosa 是囊性纤维化(CF)中一种重要的病原体,可导致肺组织损伤1。该菌产生藻酸盐及其他黏液型胞外多糖,这些多糖调控着疾病的发展进程,导致细菌牢固黏附、限制抗生素向细菌递送,并保护细菌免受宿主免疫系统的攻击2。P. aeruginosa 从浮游状态向生物膜形成的转变在此过程中尤为关键,同时也促进了细菌对抗生素耐受性的产生。
在囊性纤维化(CF)的研究中,小鼠主要被用作模型动物。然而,引入CF突变后,小鼠并不会自发地产生该疾病3大多数细菌生物膜形成及药物敏感性研究均在非生物表面(如培养皿)上进行。然而,这种方法并不能真实反映 体内 复杂性。例如,一些重要的生物屏障不存在,包括免疫细胞以及黏膜上皮。尽管 P. aeruginosa 对上皮细胞具有相当的毒性,一些研究团队 已成功共培养较早期的 P. aeruginosa 携带CFTR突变的囊性纤维化患者来源的人支气管细胞形成的生物膜(CFBE41o)- 细胞4 并允许评估抗生素的疗效5 或评估感染期间CFTR蛋白的校正情况6该模型不仅能够提高药物疗效的可预测性,还可用于表征在药物研发后期阶段失败的药物所存在的问题。7.
然而,肺部的黏膜上皮暴露于空气中。此外,存在于呼吸道中的免疫细胞(如组织巨噬细胞)在抵御吸入性病原体或颗粒物方面发挥着关键作用。8巨噬细胞穿过不同的细胞层,迁移至支气管腔以清除感染。此外,吸入性药物还需应对黏液的存在,黏液是肺部气-血屏障中一种额外的非细胞成分。9确实,一些复杂的三维(3D) 体外 已开发出多种模型,旨在提高 体内 相关性。共培养系统不仅增加了复杂性 体外 用于药物发现的系统,还能用于研究细胞间相互作用。此类复杂性已在关于巨噬细胞迁移的研究中得到探讨10中性粒细胞释放抗菌肽11黏液在感染中的作用9以及上皮细胞对过度损伤的反应12然而,一种可靠的囊性纤维化感染模型 体外 携带CF基因突变且暴露于空气(增加)的模型 生理状况)并整合免疫细胞的研究仍然缺乏。
为了弥补这一空白,我们描述了一种用于感染气道的稳定人源三维共培养的实验方案。该模型由人源囊性纤维化支气管上皮细胞和巨噬细胞组成,可感染铜绿假单胞菌(P. aeruginosa),并能够同时模拟扩散屏障和免疫屏障。为了实现对抗感染药物进行合理高通量的测试,该共培养体系建立在培养板插入式小室的可渗透滤膜上,使用了两种人源细胞系:CFBE41o- 和由THP-1单核细胞衍生的巨噬细胞。此外,为了后续研究气溶胶化抗感染药物的沉积情况13,该模型建立于气液界面(ALI)条件下,而非液体覆盖条件(LCC)。
正如我们在此报道的,该模型不仅可用于评估细菌在抗生素处理后的存活情况,还可评估细胞毒性、上皮屏障完整性、巨噬细胞迁移以及炎症反应,这些均为药物开发的关键参数。
本方案结合了两种与肺部气道吸入治疗相关的细胞类型:巨噬细胞和囊性纤维化支气管上皮细胞。这些细胞被接种在可渗透支持性小室插入物的相对两侧,使细胞能够暴露于空气环境中(称为气液界面(ALI)条件)。该宿主细胞共培养体系随后被铜绿假单胞菌(P. aeruginosa)感染。两种宿主细胞系均来源于人类:上皮细胞代表具有囊性纤维化跨膜电导调节因子通道突变的囊性纤维化支气管上皮(CFBE41o-),而THP-114细胞是一种特征明确的类巨噬细胞系。首先在培养板插入物的上层形成融合的上皮细胞层,然后将类巨噬细胞接种至相对的下室。一旦在气液界面条件下建立共培养体系,便在上皮顶端侧接种铜绿假单胞菌(P. aeruginosa)。随后利用该感染性共培养系统评估抗生素(例如 妥布霉素)的疗效。分析以下终点指标:通过跨上皮电阻(TEER)评估上皮屏障完整性,通过共聚焦激光扫描显微镜(CLSM)观察细胞间及细胞-细菌相互作用,通过菌落形成单位(CFU)计数评估细菌存活率,以及宿主细胞存活率(细胞毒性)和细胞因子释放水平。
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1. 可渗透支持膜插件中细胞的生长与分化
2. 在可渗透支持物上建立上皮细胞-巨噬细胞共培养体系
3. 感染通过 P. aeruginosa
注意:从这一步开始的所有后续操作都必须在生物安全二级(BSL2)实验室中进行。
4. 共聚焦激光扫描显微镜(CLSM)样品制备
5. 通过菌落形成单位(CFU)测量细菌增殖
6. 通过乳酸脱氢酶检测评估细胞毒性
7. 评估人细胞因子的释放
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图1A 显示了人支气管上皮细胞与巨噬细胞在可渗透支持物的顶端和基底侧分别培养24小时后共培养体系的形态。上皮屏障完整性通过较高的跨上皮电阻(TEER,834 Ω×cm2)以及通过共聚焦激光扫描显微镜(CLSM)对紧密连接蛋白ZO-1进行免疫荧光染色得以证实(图1B)。在未感染的CFBE41o- 单层培养中观察到的屏障完整性结果,在未感染的上皮细胞-巨噬细胞共培养体系中同样可见。
为建立细菌感染模型,将P. aeruginosa以感染复数(MOI)1:1接种于CFBE41o-细胞。感染后6小时(图2A),在共培养体系的顶端侧观察到巨噬细胞。感染后,跨上皮电阻(TEER)从834下降至250 Ω×cm2,表明上皮屏障功能受损,ZO-1染色结果也直观显示了这一现象(...
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本文描述了一种感染气道三维共培养体系的实验方案,该体系由人囊性纤维化支气管上皮细胞系 CFBE41o- 和人单核细胞来源的巨噬细胞系 THP-1 构成。该方案可用于同时评估上皮屏障完整性、巨噬细胞跨膜迁移、细菌存活以及炎症反应,这些参数在同步检测药物疗效和宿主反应时具有重要意义。该模型的创新之处在于将上皮细胞(即 人囊性纤维化细胞系和巨噬细胞)与急性细菌感染(即 P. aeruginosa)相结合。实验表明,上皮细胞中的急性感染可通过抗生素(即 妥布霉素)加以控制。除了使用人囊性纤维化细胞系外,整个模型均在气液界面(ALI)条件下建立,更接近囊性纤维化生理状态。采用囊性纤维化细胞系使模型具备了部分疾病特征。囊性纤维化跨膜传导调节因子(CFTR)基因突变直接导致肺部上皮液体转运失调。此外,CF 基因的突变(如 ΔF508)会导致黏液增稠,并在 P. aeruginosa4 感染后引发炎症及严重的肺损伤。CFTR 功能障碍引起的这些病理表现可能涉及自噬功能受损,而自噬障碍是一种与囊性纤维化肺部疾病发病机制相关的重要细胞机制
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作者无任何利益冲突需要披露。
本工作获得了欧盟“地平线2020”研究、技术发展与示范计划的资助,项目编号为642028 H2020-MSCA-ITN-2014,NABBA——设计与开发先进纳米药物以克服生物屏障并治疗严重疾病。我们感谢Ana Costa博士和Jenny Juntke博士在共培养体系开发过程中提供的大力支持,感谢Olga Hartwig提供科学插图,Anja Honecker提供ELISA检测支持,Petra König、Jana Westhues以及Chiara De Rossi博士在细胞培养、分析和显微镜技术方面的协助。我们还感谢Chelsea Thorn对本文稿的校对。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| Accutase | Accutase | AT104 | |
| 氨苄青霉素 | Carl Roth,德国 | HP62.1 | |
| CASY TT 细胞计数仪与分析仪 | OLS Omni Life Sciences | - | |
| CellTrace 远红染料 | Thermo Fischer | C34564 | |
| Universal 320R 离心机 | Hettich,德国 | 1406 | |
| CFBE41o- 细胞 | 1. Gruenert 细胞系分发项目 2. Sigma-Aldrich | 1. Dieter C. Gruenert 博士惠赠 2. SCC151 | |
| EVOM2 用筷子式电极组,4 mm | World Precision Instruments,Sarasota,美国 | STX2 | |
| 共聚焦激光扫描显微镜 CLSM | Leica,Mannheim,德国 | TCS SP 8 | |
| 细胞因子 ELISA Ready-SET-Go 试剂盒 | Affymetrix eBioscience,美国 | 15541037 | |
| 细胞因子 Panel I 和 Panel II | LEGENDplex 免疫检测试剂(Biolegend,美国) | 740102 | |
| 细胞毒性检测试剂盒(LDH) | Roche | 11644793001 | |
| D-(+) 葡萄糖 | Merck | 47829 | |
| Dako 荧光封片剂 | DAKO | S3023 | |
| DAPI(4′,6-二脒基-2-苯基吲哚) | Thermo Fischer | D1306 | |
| 上皮细胞伏特计 | World Precision Instruments,Sarasota,美国 | EVOM2 | |
| Falcon 12 孔板用可渗透支持膜,带 3.0μm 透明 PET 膜,无菌 | Corning,阿姆斯特丹,荷兰 | 353181 | |
| 胎牛血清 | Lonza,巴塞尔,瑞士 | DE14-801F | |
| 山羊抗小鼠(H+L)交叉吸附二抗,Alexa Fluor 633 标记 | Invitrogen | A-21050 | |
| L-乳酸脱氢酶(LDH),兔骨骼肌来源 | Roche,Mannheim,德国 | 10127230001 | |
| LB 培养基 | Sigma-Aldrich,德国 | L2897-1KG | |
| MEM(最低必需培养基) | Gibco Thermo Fisher Scientific Inc. | 11095072 | |
| 非必需氨基酸溶液(100X) | Gibco Thermo Fisher Scientific Inc. | 11140050 | |
| 铜绿假单胞菌 PAO1 菌株 | 美国典型培养物保藏中心 | 47085 | |
| 铜绿假单胞菌 PAO1-GFP 菌株 | 美国典型培养物保藏中心 | 10145GFP | |
| 多聚甲醛水溶液 -16% | EMS DIASUM | 15710-S | |
| 磷酸盐缓冲液 | Thermo Fischer | 10010023 | |
| 培养皿 | Greiner | 664102 | |
| 佛波醇-12-肉豆蔻酸酯-13-乙酸酯(PMA) | Sigma,德国 | P8139-1MG | |
| 精密盖玻片 | ThorLabs | CG15KH | |
| 纯化小鼠抗人 ZO-1 IgG 抗体 | BD Transduction Laboratories | 610966 | |
| 罗斯韦尔帕克纪念研究所(RPMI)1640 培养基 | Gibco by Lifetechnologies,Paisley,英国 | 11875093 | |
| 钠钙玻璃培养皿,50 × 200 mm(高度 × 外径) | Normax,葡萄牙 | 5058561 | |
| 皂苷 | Sigma-Aldrich,德国 | S4521 | |
| T75 培养瓶 | Thermo Fischer | 156499 | |
| THP-1 细胞 | 德国微生物与细胞培养保藏中心(DSMZ;Braunschweig,德国) | 编号 ACC-16 | |
| 硫酸妥布霉素盐 | Sigma | T1783-500MG | |
| 0.05% 胰蛋白酶-EDTA | Thermo Fischer | 25300054 | |
| Tween80 | Sigma-Aldrich,德国 | P1754 |
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