Establishing a Co-Culture Model to Study Host-Pathogen Interactions at the Air-Liquid Interface
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Mikrobiologie
0 Ansichten • 1:50 Min. • July 1st, 2026
Begin with a multi-well plate containing a transwell membrane insert.
The insert contains a confluent bronchial epithelial cell layer on the upper side of the membrane.
The insert's lower side holds macrophage-like cells in medium, mimicking the human airway epithelial barrier.
Add pathogenic bacteria suspended in a buffer over the epithelial layer.
Incubate to allow bacterial attachment to the epithelial cells and their colonization.
Then, remove the buffer from the insert while retaining the medium in the well to create an air-liquid interface.
The bacteria secrete virulence factors that interact with epithelial tight junctions and disrupt them.
This increases permeability across the epithelial layer and triggers the release of pro-inflammatory cytokines from the epithelial cells.
These cytokines facilitate the movement of macrophage-like cells toward the epithelial layer, where they recognize and engulf the bacteria.
This establishes an epithelial-macrophage co-culture model at the air-liquid interface, representing pathogen exposure in the respiratory tract.
Add 100 microliters of bacterial suspension to the apical side of the permeable support and incubate the plate at 37 degrees Celsius and 5% carbon dioxide for one hour to allow bacteria to attach to the cells. Then, carefully remove apical liquid with a pipette to restore ALI conditions.
Übersicht
Dieser Artikel stellt ein 3D-Kokultursystem von bronchialen Epithelzellen und makrophagenähnlichen Zellen an der Luft-Flüssigkeits-Grenzfläche (ALI) zur Untersuchung von Wirt-Pathogen-Interaktionen vor, wobei der Fokus speziell auf der Infektion mit Pseudomonas aeruginosa liegt. Das Modell imitiert die menschliche Atemwegsepithelbarriere und ermöglicht die präklinische Bewertung von antiinfektiösen Strategien durch Beobachtung der epithelialen Integrität, der Aktivierung von Immunzellen sowie der Mechanismen der Pathogeneliminierung.
Wesentliche Studienkomponenten
Bereich der Wissenschaft
- Zellbiologie
- Immunologie
- Mikrobiologie
- Respirationsforschung
Hintergrund
- Das Atemwegsepithel fungiert als primäre Barriere gegen Atemwegserreger.
- Alveolarmakrophagen spielen eine entscheidende Rolle in der angeborenen Immunabwehr der Lunge.
- Herkömmliche Monokulturmodelle weisen nicht die Komplexität der Zell-Zell-Interaktionen auf, die in vivo vorhanden sind.
- 3D-Kokultursysteme an der Luft-Flüssig-Grenzfläche (ALI) bilden physiologische Bedingungen für Infektionsstudien besser nach.
Zweck der Studie
- Um ein physiologisch relevantes In-vitro-Modell zur Untersuchung zu etablieren P. aeruginosa Infektion
- Um das Zusammenspiel zwischen bronchialen Epithelzellen und makrophagenähnlichen Zellen während einer Infektion zu untersuchen.
- Um die Integrität der epithelialen Barriere und Immunantworten nach bakterieller Belastung zu bewerten.
Verwendete Methoden
- Kultivierung von bronchialen Epithelzellen bis zur Konfluenz auf Transwell-Membraneinsätzen.
- Ansiedlung makrophagenähnlicher Zellen auf der unteren Seite der Membran, um die Atemwegsbarriere nachzuahmen.
- Zugabe von P. aeruginosa auf die apikale (obere) Seite der Epithelschicht.
- Inkubation, um bakterielle Anheftung und Kolonisation zu ermöglichen.
- Herstellung einer Luft-Flüssigkeits-Grenzfläche durch Entfernen der apikalen Flüssigkeit bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung des Kulturmediums darunter.
- Beobachtung von epithelialer Schädigung, Freisetzung von Zytokinen sowie Migration und Phagozytose durch Makrophagen.
Hauptergebnisse
- Bakterielle Infektionen stören epitheliale Tight Junctions und erhöhen die Permeabilität.
- Infizierte epitheliale Zellen setzen proinflammatorische Zytokine frei.
- Zytokine fördern die Migration makrophagenähnlicher Zellen in Richtung der epithelialen Schicht.
- Makrophagenähnliche Zellen erkennen Bakterien und phagozytieren diese, wodurch die Pathogeneliminierung abgebildet wird.
Schlussfolgerungen
- Das 3D-Kokultur-ALI-Modell simuliert effektiv die Dynamik von Atemwegsinfektionen.
- Es ermöglicht eine detaillierte Untersuchung der epithelialen Barrierefunktion und der Immunzellantworten.
- Dieses System ist wertvoll für die präklinische Bewertung von antiinfektiösen Therapien, die auf Atemwegsinfektionen abzielen.
Häufig gestellte Fragen
Ausschlaggebende Bedeutung für die Industrie
Die Einrichtung eines 3D-Ko-Kultursystems an der Luft-Flüssig-Grenzfläche ermöglicht eine vorhersagekräftige Bewertung von Wirt-Pathogen-Interaktionen in einem physiologisch relevanten respiratorischen Kontext. Dieses System unterstützt die mechanistische Risikominimierung bei der Entdeckung von Antiinfektiva, indem es die Störung der epithelialen Barriere und die Reaktionen von Immunzellen modelliert. Der Ansatz erhöht die Übertragbarkeit und damit das Vertrauen in die präklinische Bewertung von Antiinfektiva-Kandidaten sowie die Selektion von Wirkstoffportfolios.
Strategische Anwendungen in der Biopharma-Forschung und -Entwicklung
Frühe Entdeckung und Zielvalidierung
- Ermöglicht die Untersuchung von Mechanismen der Wirt-Pathogen-Interaktion in einem kontrollierten, krankheitsrelevanten System.
- Unterstützt die biologische Ent风险bewertung durch Modellierung der epithelialen Barriereintegrität und immunologischen Aktivierung.
- Erleichtert die funktionelle Zielstrukturvalidierung für antiinfektiöse Strategien, die auf Atemwegsinfektionen abzielen.
Screening und Assay-Entwicklung
- Bietet eine validierte Ko-Kultur-Plattform zur quantitativen Beurteilung von epithelialer Schädigung und Migration von Immunzellen.
- Ermöglicht die reproduzierbare Messung von Zytokinfreisetzung und Pathogeneliminierung als Assay-Endpunkte.
- Ermöglicht die Bewertung der Eignung für Screening-Verfahren zur Untersuchung der Wirksamkeit von antiinfektiösen Wirkstoffen in einem komplexen biologischen Kontext.
Translationale und präklinische Forschung
- Ermöglicht die Anpassung an krankheitsrelevante Atemwegsmodelle für die translationale Biomarker-Entwicklung.
- Stellt eine kontinuierliche Übertragung von der Entdeckung bis zur präklinischen Validierung sicher, indem menschliche Atemwegsreaktionen modelliert werden.
- Verringert das translationsbedingte Risiko, indem prädiktive Daten zu epithelialen und immunzellulären Dynamiken bereitgestellt werden.
Pipeline- und Workflow-Integration
Dieses Kokultivierungsmodell integriert sich in die Entdeckungs- bis präklinische Kontinuum für die antiinfektiöse Forschung und Entwicklung und verbindet frühe mechanistische Studien mit der präklinischen Evaluierung von Kandidaten.
- Entdeckungsbiologie: Unterstützt die Hypothesenprüfung zur epitelialen Barrierefunktion und Immunantwort auf Infektionen.
- Screening: Liefert quantitative, reproduzierbare Ergebnisse zur Beurteilung der Wirkstoffeffizienz.
- Analytik: Ermöglicht die Messung der Membranintegrität, Zytokinspiegel und phagozytotischer Aktivität.
- Translationale Forschung: Bietet eine Plattform für die Abstimmung von Biomarkern und krankheitsrelevante Validierung.
- Unternehmensweite Wiederverwendung: Bietet ein wiederverwendbares, standardisiertes System für die antiinfektiöse Bewertung über verschiedene Programme hinweg.
Operative und unternehmerische Auswirkungen
- Wissenschaftlicher Wert: Erhöht das Vorhersagevertrauen bei der Zielvalidierung und dem mechanistischen Verständnis von Infektionen.
- Operativer Wert: Standardisiert Co-Kultur-Arbeitsabläufe, um die Reproduzierbarkeit und Skalierbarkeit über verschiedene Projekte hinweg zu gewährleisten.
- Strategischer Wert: Unterstützt Entscheidungen über die Fortführung oder Einstellung von Projekten und verringert biologische Risiken in fortgeschrittenen Entwicklungsstadien für Antiinfektiva-Portfolios.
- Portfolio-Wirkung: Ermöglicht die risikoadjustierte Priorisierung von Kandidaten basierend auf funktionellen, krankheitsrelevanten Daten.
Durchführungsaspekte
- Erfordert Fachkenntnisse in Kulturtechniken für Atemwegsepithelzellen und Immunzellen.
- Benötigt Zugang zu Transwell-Systemen und analytischen Werkzeugen zur Messung der Barrierefunktion und von Zytokinen.
- Erfordert eine standardisierte Vorgehensweise über mehrere Arbeitsgruppen hinweg, um reproduzierbare Ko-Kulturen und Analysen der Messergebnisse zu gewährleisten.
- Möglicherweise ist eine Anpassung für verschiedene Kombinationen aus Pathogenen und Zelltypen erforderlich.
- Die Komplexität des Modells kann die Durchsatzkapazität im Vergleich zu einfacheren Monokultur-Assays einschränken.
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Zuletzt aktualisiert: 29 August 2026