Immunkompetentes Alveolen-on-Chip-Modell zur Untersuchung der Immunantworten der Alveolarschleimhaut
31. Mai 2024
Lung-on-Chip-Modelle übertreffen herkömmliche 2D-Kulturen, indem sie die Luft-Flüssigkeits-Grenzfläche und die Perfusion der Endothelzellen nachahmen und den Blutfluss und den Nährstoffaustausch simulieren, die für lungenphysiologische Studien entscheidend sind. Dies erhöht die Relevanz der Lungenforschung und bietet eine dynamische, physiologisch genaue Umgebung, um das Verständnis und die Behandlung von Atemwegsinfektionen zu verbessern.
Wir entwickeln physiologisch relevante in vitro Modelle, um mechanistische Fragestellungen bei humanen Infektionen zu beantworten. Unser Fokus liegt auf der Immunantwort des Wirts. Wenn wir dieses Modell verwenden, um die komplexe Interaktion des Erregers mit dem Wirt zu analysieren, um molekulare und zelluläre Ziele für therapeutische Optionen bei menschlichen Infektionen zu identifizieren.
Die Arbeit an einem Chip-Modell wie dem Lung-on-Chip-Modell, das durch logische Komplexität mit spezifischen Forschungsbedürfnissen in Einklang gebracht wird und Einblicke in die Regulation der Mensch-Wirt-Reaktion bietet. Dieses System ahmt die zelluläre Zusammensetzung und 3D-Struktur in vivo nach und bietet so definiertere Bedingungen und einen hohen Durchsatz als die Tierversuche. Bei der Lung-on-Chip-Technologie besteht eine der größten Herausforderungen darin, die richtigen Zelltypen auszuwählen, die die komplexe Funktionalität der Lunge für die Ergebnisse von Infektionsstudien nachahmen.
Darüber hinaus ist es von entscheidender Bedeutung, den Zeitrahmen des Experiments über traditionelle In-vitro-Modelle hinaus zu erweitern. Durch die billige Fähigkeit, die Lebensfähigkeit der Zellen mit kontinuierlichem Nährstofffluss für eine längere Beobachtung aufrechtzuerhalten, ist das Experiment ebenfalls notwendig. Wir haben das mikrofluidische Basismodell der menschlichen Alveolen als effektives Werkzeug zur Nachahmung der menschlichen Alveolenumgebung entwickelt.
Dies wurde durch die Anwendung von Perfusion erreicht, um den Blutfluss nachzuahmen, und auch durch eine mechanische Stimulation der Endothelzellen. Und auch die Integration der Luft-Flüssigkeits-Grenzfläche für die Epithelzellen, indem sie der Luft ausgesetzt werden. Der nächste Schritt besteht darin, dieses Modell auf eine fortschrittlichere Plattform auszuweiten, wie z. B. das auf induzierten pluripotenten Stammzellen basierende Modell.
Auf diese Weise wollen wir die personalisierte Medizin näher an die Anwendung bringen, insbesondere im Rahmen der antiviralen Wirkstoffprüfung und als Werkzeug für die biomedizinische Forschung und pharmazeutische Entwicklung.
Übersicht
Diese Studie beschreibt die Entwicklung von Lung-on-Chip-Modellen, die die Luft-Flüssigkeits-Grenzfläche und die Perfusionsbedingungen für endotheliale Zellen nachbilden und somit das Verständnis von Atemwegsinfektionen verbessern. Diese Modelle bieten eine dynamische und physiologisch präzise Umgebung für die Lungenforschung.
Wesentliche Studienkomponenten
Bereich der Wissenschaft
- Neurowissenschaften
- Biologie
- In-vitro-Modelle
Hintergrund
- Traditionelle 2D-Kulturen weisen keine physiologische Relevanz auf.
- Die Lung-on-Chip-Technologie ahmt in-vivo-Bedingungen nach.
- Das Verständnis von Wirt-Pathogen-Interaktionen ist entscheidend für die Entwicklung von Therapeutika.
- Zu den Herausforderungen gehört die Auswahl geeigneter Zelltypen für die Funktionalität.
Zweck der Studie
- Entwicklung von In-vitro-Modellen, die menschliche Infektionen genau widerspiegeln.
- Aufklärung der Wechselwirkungen zwischen Krankheitserregern und dem menschlichen Wirt.
- Identifizierung molekularer und zellulärer Zielstrukturen für Therapien.
Verwendete Methoden
- Organ-auf-einem-Chip-Technologie
- Auswahl relevanter Zelltypen
- Experimente mit hohem Durchsatz
- Verlängerte Versuchszeiträume
Hauptergebnisse
- Lungen-auf-einem-Chip-Modelle liefern Erkenntnisse zur Regulation der menschlichen Wirtsantwort.
- Diese Modelle gewährleisten ein Gleichgewicht zwischen biologischer Komplexität und spezifischen Forschungsanforderungen.
- Sie bieten gegenüber herkömmlichen In-vitro-Modellen besser definierte Bedingungen.
- Verlängerte Zeiträume ermöglichen eine verbesserte Simulation von Infektionsstudien.
Schlussfolgerungen
- Lungen-auf-einem-Chip-Modelle erhöhen die Relevanz der Lungensforschung.
- Sie ermöglichen ein besseres Verständnis von Atemwegsinfektionen.
- Diese Modelle sind entscheidend, um therapeutische Optionen voranzutreiben.
Häufig gestellte Fragen
Aussagekräftige Relevanz für die Industrie
Das immunokompetente Alveolus-on-Chip-Modell bietet eine physiologisch relevante, aus menschlichem Gewebe stammende Plattform zur Untersuchung pulmonaler Schleimhaut-Immunantworten auf Infektionen. Durch die Integration wesentlicher alveolärer Zelltypen sowie die Simulation biomechanischer und Perfusionsbedingungen erhöht dieses System das Vorhersagevertrauen bei der Validierung von Zielstrukturen in frühen Entwicklungsphasen und der mechanistischen Risikominimierung in der Atemwegsarzneimittelforschung. Die Kompatibilität mit standardisierten Immunassays positioniert es als wiederverwendbares Instrument für infektions- und immunologische Forschung über das gesamte Portfolio hinweg.
Strategische Anwendungen in der Biopharma-Forschung und -Entwicklung
Frühe Entdeckung und Zielvalidierung
- Ermöglicht die mechanistische Untersuchung von Wirt-Pathogen-Interaktionen in einem für den Menschen relevanten alveolären Kontext.
- Unterstützt die funktionelle Zielvalidierung durch Nachbildung der Kommunikation zwischen Immunzellen, Epithel- und Endothelzellen.
- Erleichtert die biologische Risikominimierung durch Modellierung komplexer Gewebereaktionen auf eine Infektion.
- Steigert die Vorhersagegenauigkeit für die Prüfung therapeutischer Hypothesen bei Atemwegserkrankungen.
Screening und Assay-Entwicklung
- Bietet eine standardisierte, reproduzierbare Plattform für quantitative Immun- und Infektionsassays.
- Ermöglicht Immunfluoreszenz, Zytokine-Profilierung sowie KBE/Plaque-Analyse für robuste Messergebnisse.
- Ermöglicht die skalierbare Herstellung validierter alveolärer Gewebemodelle zur Wirkstoffprüfung.
- Verbessert die Assaytauglichkeit für die Untersuchung von antiinfektiösen oder immunmodulierenden Substanzen.
Translationale und präklinische Forschung
- Entspricht der krankheitsrelevanten menschlichen Lungenbiologie zur translationellen Erforschung von Biomarkern.
- Ermöglicht den Übergang von der Entdeckung zur präklinischen Validierung, indem menschliche Immunantworten auf Krankheitserreger modelliert werden.
- Unterstützt risikoadjustierte Entscheidungen für die Weiterentwicklung von Programmen gegen Atemwegsinfektionen.
- Bietet mechanistische Entlastung bei der Kandidatenauswahl in präklinischen Entwicklungsstufen.
Pipeline- und Workflow-Integration
Dieses Modell ist in die Entwicklungs- bis präklinische Bandbreite integriert und ermöglicht die Überprüfung von Hypothesen, die Validierung von Zielstrukturen sowie translationsmedizinische Forschung für Portfolios zu Atemwegsinfektionen.
- Entdeckungsbiochemie: Untersucht molekulare und zelluläre Zielstrukturen, indem menschliche alveoläre Immunantworten modelliert werden.
- Screening: Liefert reproduzierbare, quantitative Ergebnisse für Immun- und Infektionsassays.
- Analytik: Ermöglicht den vergleichenden Nachweis von Immunaktivierung, Barrierefunktion und Pathogenlast.
- Translationale Forschung: Gewährleistet Kontinuität für Biomarker- und Wirkmechanismus-Studien in für den Menschen relevanten Systemen.
- Unternehmensweite Wiederverwendung: Dient als wiederverwendbare Plattform für vielfältige Forschungsvorhaben zu Infektionen und Immunität.
Operative und unternehmerische Auswirkungen
- Wissenschaftlicher Wert: Erhöht die Vorhersagesicherheit und verringert mechanistische Mehrdeutigkeiten bei der Target-Validierung.
- Operativer Wert: Standardisiert Infektions- und Immunreaktions-Assays hinsichtlich Reproduzierbarkeit und Skalierbarkeit.
- Strategischer Wert: Ermöglicht fundierte Go/No-Go-Entscheidungen und kapitaleffizientes Portfolio-Management.
- Portfolio-Wirkung: Unterstützt die risikoadjustierte Priorisierung und Weiterentwicklung von Wirkstoffen gegen Atemwegsinfektionen.
Durchführungsüberlegungen
- Erfordert Fachkenntnisse in Gewebeengineering, Mikrofluidik und immunologischen Assays.
- Setzt Zugang zu spezialisierten Geräten für die Chip-Perfusion und biomechanische Stimulation voraus.
- Erfordert eine standardisierte Vorgehensweise zwischen Teams bei der Beschaffung von Zellen und bei den Assay-Protokollen.
- Die Anpassung an andere Lungenzelltypen oder Krankheitsmodelle kann eine Optimierung der Protokolle erfordern.
- Zu den praktischen Einschränkungen gehören Durchsatzbegrenzungen und die Notwendigkeit einer leistungsfähigen analytischen Infrastruktur.
Biopharma-Häufig gestellte Fragen
Chapters in this video
0:00
Introduction
2:08
Preparation and Maintenance of Human Umbilical Vein Endothelial Cells in Biochips for Establishing an Air‐Liquid Interface
5:42
Advanced Biochip Perfusion and Air‐Liquid Interface Establishment of Human Umbilical Vein Endothelial Cells for Tissue Culture Analysis
