Establishing a Co-Culture Model to Study Host-Pathogen Interactions at the Air-Liquid Interface
JoVE Encyclopedia of Experiments
Microbiología
0 vistas • 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.
Resumen
Este artículo presenta un modelo de cultivo conjunto tridimensional de células epiteliales bronquiales y células similares a macrófagos en la interfase aire-líquido (ALI) para estudiar las interacciones entre huésped y patógeno, centrándose específicamente en la infección por Pseudomonas aeruginosa. El modelo imita la barrera epitelial de las vías respiratorias humanas y permite la evaluación preclínica de estrategias antiinfecciosas mediante la observación de la integridad epitelial, la activación de células inmunitarias y los mecanismos de eliminación del patógeno.
Componentes Clave del Estudio
Área de la Ciencia
- Biología celular
- Inmunología
- Microbiología
- Investigación respiratoria
Antecedentes
- El epitelio de las vías respiratorias actúa como barrera primaria contra los patógenos respiratorios.
- Los macrófagos desempeñan un papel crucial en la defensa inmunitaria innata dentro del pulmón.
- Los modelos tradicionales de monocultivo carecen de la complejidad de las interacciones célula-célula presentes in vivo.
- Los sistemas de cocultivo en 3D en interfaz aire-líquido replican mejor las condiciones fisiológicas para estudios de infección.
Objetivo del estudio
- Para establecer un modelo in vitro fisiológicamente relevante para el estudio P. aeruginosa infección
- Para investigar la interacción entre las células epiteliales bronquiales y las células similares a macrófagos durante la infección.
- Evaluar la integridad de la barrera epitelial y las respuestas inmunitarias tras un desafío bacteriano.
Métodos Utilizados
- Cultivo de células epiteliales bronquiales hasta confluencia en insertos de membrana tipo transwell.
- Siembra de células similares a macrófagos en la cara inferior de la membrana para imitar la barrera de las vías respiratorias.
- Agregado de P. aeruginosa al compartimento apical (superior) de la capa epitelial.
- Incubación para permitir la adhesión y colonización bacteriana.
- Establecimiento de una interfase aire-líquido mediante la eliminación del líquido apical mientras se mantiene el medio en la parte inferior.
- Observación de la alteración epitelial, la liberación de citoquinas y la migración y fagocitosis por macrófagos.
Resultados principales
- La infección bacteriana altera las uniones estrechas del epitelio, aumentando la permeabilidad.
- Las células epiteliales infectadas liberan citoquinas proinflamatorias.
- Las citoquinas promueven la migración de células similares a macrófagos hacia la capa epitelial.
- Las células similares a macrófagos reconocen y fagocitan bacterias, modelando la eliminación de patógenos.
Conclusiones
- El modelo de cultivo conjunto tridimensional en interfaz aire-líquido simula eficazmente la dinámica de las infecciones del tracto respiratorio.
- Permite el estudio detallado de la función de la barrera epitelial y las respuestas de las células inmunitarias.
- Este sistema es valioso para la evaluación preclínica de terapias antiinfecciosas dirigidas a infecciones de las vías respiratorias.
Preguntas frecuentes
Relevancia Ejecutiva para la Industria
El establecimiento de un modelo de co-cultivo tridimensional en la interfaz aire-líquido permite la evaluación predictiva de las interacciones huésped-patógeno en un contexto respiratorio fisiológicamente relevante. Este sistema facilita la reducción mecanicista de riesgos en el descubrimiento de agentes antiinfecciosos mediante la modelización de la alteración de la barrera epitelial y las respuestas de las células inmunitarias. El enfoque mejora la confianza traslacional para la evaluación preclínica de candidatos antiinfecciosos y la selección de carteras.
Aplicaciones Estratégicas en I+D de Biotecnología Farmacéutica
Descubrimiento Temprano y Validación de Blancos
- Permite investigar los mecanismos de interacción huésped-patógeno en un sistema controlado y relevante para la enfermedad.
- Apoya la desactivación de riesgos biológicos mediante la modelización de la integridad de la barrera epitelial y la activación inmunitaria.
- Facilita la validación funcional de dianas para estrategias antiinfecciosas dirigidas a infecciones de las vías respiratorias.
Desarrollo de Pruebas y Tamizaje
- Proporciona una plataforma de cultivo conjunto validada para la evaluación cuantitativa de la alteración epitelial y la migración de células inmunitarias.
- Permite la medición reproducible de la liberación de citoquinas y la eliminación de patógenos como puntos finales del ensayo.
- Facilita la preparación para cribado al evaluar la eficacia de compuestos antiinfecciosos en un contexto biológico complejo.
Investigación Traductacional y Preclínica
- Se alinea con modelos respiratorios relevantes para enfermedades en el desarrollo traslacional de biomarcadores.
- Garantiza la continuidad desde el descubrimiento hasta la validación preclínica mediante la modelización de las respuestas de las vías respiratorias humanas.
- Reduce el riesgo traslacional al proporcionar datos predictivos sobre la dinámica de células epiteliales e inmunitarias.
Integración de la tubería y flujo de trabajo
Este modelo de co-cultivo se integra en la continuidad desde el descubrimiento hasta la fase preclínica para la I+D de agentes antiinfecciosos, actuando como puente entre estudios mecanicistas iniciales y la evaluación de candidatos preclínicos.
- Biología del Descubrimiento: Apoya la comprobación de hipótesis sobre la función de barrera epitelial y la respuesta inmunitaria a infecciones.
- Selección: Proporciona resultados cuantitativos y reproducibles para la evaluación de la eficacia de compuestos.
- Análisis: Permite la medición de la integridad de la membrana, los niveles de citoquinas y la actividad fagocítica.
- Investigación Traducional: Ofrece una plataforma para la alineación de biomarcadores y la validación relevante a enfermedades.
- Reutilización Empresarial: Brinda un sistema estandarizado y reutilizable para la evaluación de agentes antiinfecciosos entre programas.
Impacto Operativo y Empresarial
- Valor Científico: Aumenta la confianza predictiva en la validación de dianas y la comprensión mecanicista de la infección.
- Valor Operacional: Estandariza los flujos de trabajo de cultivos mixtos para garantizar la reproducibilidad y escalabilidad entre proyectos.
- Valor Estratégico: Orienta las decisiones de continuar o descartar proyectos y reduce el riesgo biológico en fases avanzadas para las carteras de agentes antiinfecciosos.
- Impacto en la Cartera: Permite la priorización ajustada al riesgo de candidatos basada en datos funcionales y relevantes para la enfermedad.
Consideraciones de Implementación
- Requiere experiencia en técnicas de cultivo de células epiteliales de vías respiratorias e inmunitarias.
- Necesita acceso a sistemas tipo transwell y herramientas analíticas para la medición de la integridad de la barrera y de citoquinas.
- Exige estandarización entre equipos para el montaje del co-cultivo y el análisis de resultados reproducibles.
- Puede ser necesaria una adaptación para diferentes combinaciones de patógenos o tipos celulares.
- La complejidad del modelo puede limitar el rendimiento en comparación con ensayos más simples de monocultivo.
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Última actualización: 29 agosto 2026