肺器官芯片模型通过模拟气液界面和内皮细胞灌注,实现了对肺生理学研究至关重要的血流和营养交换过程,从而超越了传统的二维培养方法。这提高了肺部研究的相关性,提供了一个动态且符合生理特征的环境,有助于深入理解并治疗呼吸系统感染。
需要JoVE订阅才能观看此内容。 请登录或开始免费试用
肺器官芯片模型通过模拟气液界面和内皮细胞灌注,实现了对肺生理学研究至关重要的血流和营养交换过程,从而超越了传统的二维培养方法。这提高了肺部研究的相关性,提供了一个动态且符合生理特征的环境,有助于深入理解并治疗呼吸系统感染。
我们介绍一种先进的免疫活性肺芯片模型,旨在模拟人类肺泡的结构与功能。该创新模型采用一种微流控灌注式生物芯片,可支持气液界面,模拟人体肺泡内的微环境。通过组织工程技术整合关键细胞成分,包括内皮细胞、巨噬细胞和上皮细胞,构建出具有代表性的肺泡组织模型。该模型有助于深入研究黏膜免疫系统对多种病原体(包括病毒、细菌和真菌)的免疫应答,从而推动对肺部免疫机制的理解。本实验方案的主要目标是提供建立该肺泡芯片模型的详细步骤,以作为一种可靠的 体外 用于感染研究的平台,使研究人员能够密切观察和分析病原体与宿主免疫系统在肺部环境中的复杂相互作用。该平台通过应用基于微流控的技术,模拟人肺泡的关键生理条件,包括血流和对内皮细胞的生物力学刺激,同时维持气-液界面,以实现上皮细胞对空气的真实暴露。该模型系统可兼容多种标准化检测方法,如免疫荧光染色、细胞因子谱分析以及菌落形成单位(CFU)/蚀斑分析,从而全面揭示感染过程中免疫动态变化。肺泡芯片由多种关键细胞类型组成,包括由多孔聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)膜分隔的人类远端肺上皮细胞(H441)和人脐静脉内皮细胞(HUVECs),并在上皮层与内皮层之间战略性地置入原代单核细胞来源的巨噬细胞。该组织模型显著增强了对肺部免疫反应中复杂因素进行解析和分析的能力 体外作为一种有价值的工具,它应有助于推动肺部研究的进步,提供更准确、更动态的 体外 用于研究呼吸道感染的发病机制及评估潜在治疗干预措施的模型。
人类肺部在呼吸和免疫防御中具有重要作用,肺泡黏膜的免疫反应之间存在复杂的相互作用1。肺泡产生有效免疫反应的能力对于预防肺部感染和维持肺部健康至关重要。由于肺部持续暴露于多种潜在风险之下,包括细菌、病毒、真菌、过敏原和颗粒物, 深入理解肺泡黏膜免疫反应的复杂性,对于揭示呼吸道感染和炎症性疾病的机制以及治疗肺部疾病具有重要意义1。
研究呼吸道感染和炎症相关过程 体外需要能够真实模拟肺泡微环境及免疫反应的模型。二维细胞培养和动物模型已被用作肺部免疫反应生物医学研究的必要工具数十年,但它们在向人类实际情况转化时往往存在局限性。器官芯片模型有助于弥补传统模型与人类生理之间的差距。 体外 和 体内 模型,并为研究人类特异性免疫反应提供了一种新方法2,3肺芯片模型可模拟气液界面,该界面是肺细胞重现呼吸道生理条件并构建更精确、更稳健的组织模型所必需的。这种培养技术能够精确地检测细胞分化、功能及其对药物或疾病相关刺激的反应。 体外2.
本研究中,我们提出了一种基于微流控技术的人肺泡模型,该模型通过灌注模拟血流、对内皮细胞施加生物力学刺激,并结合气液界面使上皮细胞暴露于气相环境中,从而有效重现人体肺泡微环境4。我们开发了一种微流控灌注式“肺泡芯片”模型,可模拟人肺泡的物理结构和生物学相互作用,尤其关注气液界面的构建。该界面在呼吸上皮细胞的分化过程中发挥关键作用,对于精确模拟肺部微环境至关重要。该模型采用人远端肺上皮细胞(H441)和人脐静脉内皮细胞(HUVECs),两者之间由多孔聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)膜隔开,而在细胞层之间置入人原代单核细胞来源的巨噬细胞。该结构重现了肺泡复杂的细胞排列方式,对于准确模拟气液界面至关重要,而气液界面是肺组织生理功能的重要影响因素。
开发该模型的原理在于整合循环免疫细胞和组织驻留免疫细胞。这一方法旨在精确模拟人体对呼吸道感染的炎症宿主反应,为研究病原体与宿主之间的相互作用提供一个动态环境。巨噬细胞的存在使得研究人员能够观察即时的免疫应答及其与病原体的相互作用,从而反映抵御呼吸道感染的第一道防线。此外,该生物芯片平台的设计便于对生物物理和生化信号进行便捷而精确的调控,这对于模拟肺泡功能至关重要。 体外这种灵活性对于剖析人类感染的促成因素至关重要,使研究人员能够调节条件以模拟不同的疾病状态,或测试潜在的治疗干预措施。该平台可与多种检测技术兼容,包括高级显微镜、微生物学分析和生化出流物分析,从而增强了其应用价值。这些功能支持对组织感染反应进行全面评估,包括细胞行为、病原体增殖以及免疫应答有效性的分析。
我们介绍了一种详细的方案和技术,用于构建和使用人肺泡芯片模型,该模型重点模拟气液界面,并整合免疫细胞,以在体外研究人类感染。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
人脐静脉内皮细胞(HUVEC)从脐带中分离获得,使用代数不超过第4代。初代单核细胞从健康供体的全血中分离获得。本研究经德国耶拿大学医院伦理委员会批准(3939-12/13)。根据《赫尔辛基宣言》,所有为本研究捐献细胞的个体均签署了知情同意书。
1. 第1天:生物芯片的准备
2. 第2天:检测细胞层
3. 第3天:下腔室的准备
第4天至第7天:细胞维持与单核细胞收获
5. 第8天:生物芯片灌注
第9天至第11天:建立气液界面
7. 第14天:组织收获与分析
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
通过免疫荧光染色可检测形态学改变及标志蛋白的表达。共培养14天后,分别分析血管侧和上皮侧各自细胞标志物的表达情况。该方法有助于研究血管与上皮组分之间的相互作用及其完整性,对于感染相关功能生物学读数的疾病建模具有重要意义。免疫荧光染色可结合定量分析、形态学评估以及功能检测进行验证,包括细胞因子释放、乳酸脱氢酶(LDH)释放等细胞死亡标志物的流出液分析,以及细胞形态计量学的变化。5在血管侧,可通过研究内皮细胞连接蛋白(如VE-cadherin)的完整性和形态,以评估细胞汇合度及内皮屏障的形成情况6 (图 4A灌注后,内皮细胞层应达到融合状态,且在内皮细胞边界处可见结构清晰的VE-cadherin表达。膜的底部可进行免疫染色,以检测上皮标志物,如E-cadherin和表面活性蛋白A(SP-A)。7肺表面活性物质相关蛋白A(SP-A)是肺表面活性物质的关键组分,后者为脂质与蛋白质的复杂混合物,可降低上皮气-液界面的表面张力,从而防止 体...
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
肺泡芯片模型代表了一种多层结构的人肺泡组织模型,该模型整合了下呼吸道的关键细胞类型,包括肺上皮细胞、内皮细胞和巨噬细胞,并在气液界面(ALI)条件下以培养基灌注内皮层的方式进行类器官排列培养。不同层次的细胞表达特定的细胞标志物蛋白,例如E-钙黏蛋白(E-cadherin),这是一种肺上皮细胞中依赖钙离子的黏附分子,在形成上皮细胞间屏障过程中起核心作用5,10。E-钙黏蛋白不仅构成物理屏障元件,还调控机体对环境中有害病原体和物质的免疫应答10,11。H441上皮细胞进一步表达表面活性蛋白A(surfactant protein A),该蛋白在宿主抵御感染的第一道防线中至关重要,可通过介导免疫调节和抗菌活性发挥保护作用8。在肺泡模型中引入免疫细胞可提高其细胞复杂性,从而更真实地模拟感染等炎症刺激下的免疫应答。在此背景下,该模型已被用于研究甲型流感病毒与人类机会性...
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
K.R. 是 Dynamic42 GmbH 的首席执行官,并持有该公司股权。A.S.M. 是 Dynamic42 GmbH 的科学顾问,并持有该公司股权。其余所有作者均无利益冲突。
H.K. 和 A.S.M. 感谢来自莱布尼茨感染光学耶拿科学园(Leibniz Science-Campus InfectoOptics Jena)的资助,该资助由莱布尼茨协会的战略合作资助计划提供。M.A. 和 A.S.M. 的研究得到了德国联邦经济和能源部根据德国联邦议院决议资助的IGF项目IMPROVE的支持。A.S.M. 还感谢“微生物组卓越集群”(Cluster of Excellence Balance of the Microverse)在德国卓越战略框架下提供的财政支持——卓越集群项目编号 EXC 2051,项目ID 690 390713860。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 耗材 | |||
| 细胞计数板(Countess) | Invitrogen | C10283 | |
| 细胞培养多孔板,24孔,无菌 | Greiner Bio-One | 662 160 | |
| 细胞培养多孔板,6孔,无菌 | Greiner Bio-One | 657 160 | |
| 盖玻片(24×40 mm;#1.5) | Menzel-Gläser | 15747592 | |
| Eco擦拭纸 | Dr. Schuhmacher | 00-915-REW10003-01 | |
| Eppendorf管 2.0 mL | Sarstedt | 72.691 | |
| Eppendorf管 0.5 mL | Sarstedt | 72.699 | |
| Eppendorf管 1.5 mL | Sarstedt | 72.690.001 | |
| 离心管 15 mL | Greiner Bio-One | 188 271-TRI | |
| 离心管 50 mL | Greiner Bio-One | 227 261-TRI | |
| 纱布敷料 | Noba | PZN 2417767 | |
| 丁腈手套 Nitril 3000 | Meditrade | 1280 | |
| 显微镜载玻片 | Menzel-Gläser | AAAA000001##12E | |
| 多孔板 24孔,无菌 | Greiner Bio-One | 662 160 | |
| 巴斯德移液管(玻璃)150 mm | Assistent | 40567001 | |
| 巴斯德移液管(玻璃)230 mm | Assistent | 40567002 | |
| 圆底离心管(聚苯乙烯,5 mL) | Falcon | 352052 | |
| 安全多功能采血针套件,20G,200 mm | Sarstedt | 85.1637.235 | |
| 手术刀片 | Dahlhausen | 11.000.00.715 | |
| 血清移液管 10 mL | Greiner Bio-One | 607 160-TRI | |
| 血清移液管 25 mL | Greiner Bio-One | 760 160-TRI | |
| 血清移液管 2 mL | Greiner Bio-One | 710 160-TRI | |
| 血清移液管 50 mL | Greiner Bio-One | 768 160-TRI | |
| 血清移液管 5 mL | Greiner Bio-One | 606 160-TRI | |
| S-Monovette,7.5 mL Z-凝胶 | Sarstedt | 1.1602 | |
| S-Monovette,9.0 mL K3E | Sarstedt | 02.1066.001 | |
| Softasept N | Braun | 3887138 | |
| T25培养瓶 | Greiner Bio-One | 690 960 | |
| 无菌吸头 10µL | Greiner Bio-One | 771 261 | |
| 无菌吸头 1250µL | Greiner Bio-One | 750 261 | |
| 无菌吸头 300µL | Greiner Bio-One | 738 261 | |
| 非无菌吸头 10µL | Greiner Bio-One | 765 290 | |
| 非无菌吸头 1000µL | Greiner Bio-One | 739 291 | |
| 非无菌吸头 200µL | Greiner Bio-One | 686 290 | |
| 镊子(Präzisionspinzette DUMONT 弯头,Inox08,5/45,0.06 mm) | Roth | K343.1 | |
| 化学试剂 | |||
| Descosept AF | Dr. Schuhmacher | N-20338 | |
| 乙醇 96% | Nordbrand-Nordhausen | 410 | |
| 异硫氰酸荧光素(FITC)-葡聚糖(3–5 kDa) | Sigma Aldrich | FD4-100MG | |
| 荧光封片剂 | Dako | S3023 | |
| 甲醇 | VWR | 20847.295 | |
| 皂苷 | Fluka | 47036 | |
| Tergazyme | Alconox | 1304-1 | |
| 细胞培养 | |||
| IV型胶原蛋白 | Sigma-Aldrich | C5533-5MG | |
| 地塞米松 | Sigma-Aldrich | D4902 | |
| DPBS (-/-) | Lonza | BE17-516F | |
| DPBS (+/+) | Lonza | BE17-513F | |
| EDTA溶液 | Sigma-Aldrich | E788S | |
| 内皮细胞生长培养基 | Promocell | C-22020 | |
| 内皮细胞生长培养基添加剂混合液 | Promocell | C-39225 | |
| 胎牛血清 | Sigma-Aldrich | E2129-10g | |
| H441 | ATCC | ||
| 人重组GM-CSF | Peprotech | 300-30 | |
| 利多卡因 | Sigma-Aldrich | L5647-15G | |
| 青霉素-链霉素(10,000 U/mL) | Gibco | 15140-122 /-163 | |
| RPMI培养基 | Gibco | 72400047 | |
| 台盼蓝染色液 0.4% | Invitrogen | T10282 | |
| 胰蛋白酶 | Gibco | 15090-046 | |
| 一抗 | |||
| Cadherin-5 / VE-Cadherin(山羊来源) | BD | 610252 | |
| CD68(兔来源) | CellSignaling | 76437 | |
| E-Cadherin(山羊来源) | R&D | AF748 | |
| SP-A(小鼠来源) | Abcam | ab51891 | |
| 二抗 | |||
| AF488(驴抗小鼠) | Invitrogen | R37114 | |
| AF647(驴抗小鼠) | invitrogen | A31571 | |
| AF647(驴抗兔) | Invitrogen | A31573 | |
| Cy3(驴抗山羊) | jackson research | 705-165-147 | |
| 微流控 | |||
| 芯片 | Dynamic 42 | BC002 | |
| 公鲁尔锁接头(小型) | ChipShop | 09-0503-0270-09 | |
| 微型公鲁尔堵头,四联排,聚丙烯,绿色 | Microfluidic chipshop | 09-0558-0336-11 | |
| 微型公鲁尔堵头,四联排,聚丙烯,不透明 | Microfluidic chipshop | 09-0556-0336-09 | |
| 微型公鲁尔堵头,四联排,聚丙烯,红色 | Microfluidic chipshop | 09-0557-0336-10 | |
| 堵头 | Cole Parmer | GZ-45555-56 | |
| 储液池 4.5 mL | ChipShop | 16-0613-0233-09 | |
| 管路 | Dynamic 42 | ST001 | |
| 设备 | |||
| 高压灭菌器 | Tuttnauer | 5075 ELV | |
| 离心机 | Eppendorf | 5424 | |
| CO₂培养箱 | Heracell | 150i | |
| Countess全自动细胞计数仪 | Invitrogen | C10227 | |
| 流式细胞仪 | BD | FACS Canto II | |
| 冷冻柜(-20 °C) | Liebherr | LCexv 4010 | |
| 冷冻柜(-80 °C) | Heraeus | Herafreeze HFU 686 | |
| 冰箱 | Liebherr | LCexv 4010 | |
| Heraeus多功能离心机 | Thermo Scientific | X3R | |
| 显微镜 | Leica | DM IL LED | |
| 轨道摇床 | Heidolph | Reax2000 | |
| 蠕动泵 | REGLO Digital MS-4/12 | ISM597D | |
| 移液器 10µL | Eppendorf Research plus | 3123000020 | |
| 移液器 100µL | Eppendorf Research plus | 3123000047 | |
| 移液器 1000µL | Eppendorf Research plus | 3123000063 | |
| 移液器 2.5µL | Eppendorf Research plus | 3123000012 | |
| 移液器 20µL | Eppendorf Research plus | 3123000039 | |
| 移液器 200µL | Eppendorf Research plus | 3123000055 | |
| 天平 | Sartorius | 6101 | |
| 天平 | Sartorius | TE1245 | |
| 超净工作台 | Kojair | Biowizard SL-130 | |
| 水浴锅 | Julabo | SW-20C | |
| 荧光显微镜系统 | |||
| Apotome.2 | Zeiss | ||
| 照明装置 | Zeiss | HXP 120 C | |
| 显微镜 | Zeiss | Axio Observer 5 | |
| 光学切片系统 | Zeiss | ApoTome | |
| 显微镜电源 | Zeiss | Eplax Vp232 | |
| 软件 | |||
| ZEN Blue Edition | Zeiss |
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。