Establishing a Co-Culture Model to Study Host-Pathogen Interactions at the Air-Liquid Interface
JoVE Encyclopedia of Experiments
Microbiologie
0 vues • 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.
Aperçu
Cet article présente un modèle de co-culture tridimensionnel de cellules épithéliales bronchiques et de cellules de type macrophage à l'interface air-liquide (ALI) pour étudier les interactions hôte-pathogène, en se concentrant spécifiquement sur l'infection par Pseudomonas aeruginosa. Le modèle imite la barrière épithéliale des voies respiratoires humaines et permet une évaluation préclinique de stratégies anti-infectieuses en observant l'intégrité épithéliale, l'activation des cellules immunitaires et les mécanismes d'élimination du pathogène.
Composantes clés de l'étude
Domaine scientifique
- Biologie cellulaire
- Immunologie
- Microbiologie
- Recherche respiratoire
Contexte
- L'épithélium des voies respiratoires constitue une barrière primaire contre les agents pathogènes respiratoires.
- Les macrophages jouent un rôle essentiel dans la défense immunitaire innée au sein du poumon.
- Les modèles traditionnels de monoculture ne possèdent pas la complexité des interactions cellule-cellule présentes in vivo.
- Les systèmes de co-culture en 3D à l'interface air-liquide reproduisent mieux les conditions physiologiques pour les études d'infection.
Objectif de l'étude
- Établir un modèle in vitro physiologiquement pertinent pour l'étude de l'infection par P. aeruginosa.
- Étudier l'interaction entre les cellules épithéliales bronchiques et les cellules de type macrophage durant l'infection.
- Évaluer l'intégrité de la barrière épithéliale et les réponses immunitaires suite à une exposition bactérienne.
Méthodes utilisées
- Culture de cellules épithéliales bronchiques jusqu'à confluence sur des inserts de membrane de type transwell.
- Ensemencement de cellules de type macrophage sur la face inférieure de la membrane afin de reproduire la barrière des voies respiratoires.
- Ajout de P. aeruginosa sur la face apicale (supérieure) de la couche épithéliale.
- Incubation pour permettre l'attachement bactérien et la colonisation.
- Établissement d'une interface air-liquide par élimination du liquide apical tout en maintenant le milieu de culture en dessous.
- Observation de la perturbation épithéliale, de la libération de cytokines, ainsi que de la migration et de la phagocytose par les macrophages.
Résultats principaux
- L'infection bactérienne perturbe les jonctions serrées épithéliales, augmentant la perméabilité.
- Les cellules épithéliales infectées libèrent des cytokines pro-inflammatoires.
- Les cytokines favorisent la migration de cellules de type macrophage vers la couche épithéliale.
- Les cellules de type macrophage reconnaissent et internalisent les bactéries, modélisant l'élimination des agents pathogènes.
Conclusions
- Le modèle 3D de co-culture en interface liquide-air simule efficacement la dynamique des infections des voies respiratoires.
- Il permet une étude détaillée de la fonction de la barrière épithéliale et des réponses des cellules immunitaires.
- Ce système est précieux pour l'évaluation préclinique de thérapies anti-infectieuses ciblant les infections des voies respiratoires.
Questions fréquemment posées
Pertinence industrielle pour les cadres
La mise en place d'un modèle de co-culture 3D à l'interface air-liquide permet une évaluation prédictive des interactions hôte-pathogène dans un contexte respiratoire physiologiquement pertinent. Ce système permet une détection mécanistique des risques dans le cadre de la découverte d'agents anti-infectieux en modélisant la perturbation de la barrière épithéliale et les réponses des cellules immunitaires. Cette approche renforce la pertinence translationnelle pour l'évaluation préclinique des candidats anti-infectieux et le tri des portefeuilles de projets.
Applications stratégiques en recherche et développement en biopharmaceutique
Début de la découverte et validation de la cible
- Permet d'étudier les mécanismes d'interaction hôte-pathogène dans un système contrôlé et pertinent pour la maladie.
- Contribue à l'évaluation précoce des risques biologiques en modélisant l'intégrité de la barrière épithéliale et l'activation immunitaire.
- Facilite la validation fonctionnelle de cibles thérapeutiques pour des stratégies anti-infectieuses ciblant les infections des voies respiratoires.
Développement de criblages et de tests
- Offre une plateforme de co-culture validée pour l'évaluation quantitative de la perturbation épithéliale et de la migration des cellules immunitaires.
- Permet la mesure reproductible du relargage de cytokines et de l'élimination des agents pathogènes en tant que paramètres de dosage.
- Facilite la préparation au criblage pour évaluer l'efficacité de composés anti-infectieux dans un contexte biologique complexe.
Recherche translationnelle et préclinique
- S'aligne sur des modèles respiratoires pertinents pour la maladie afin de favoriser le développement translatable de biomarqueurs.
- Assure la continuité du stade de découverte à la validation préclinique en modélisant les réponses des voies respiratoires humaines.
- Réduit le risque de translation en fournissant des données prédictives sur la dynamique des cellules épithéliales et immunitaires.
Intégration des pipelines et des flux de travail
Ce modèle de co-culture s'intègre dans la continuité découverte-préclinique pour la recherche et le développement d'agents anti-infectieux, en reliant les premières études mécanistiques à l'évaluation des candidats précliniques.
- Découverte en biologie : Soutient la vérification d'hypothèses sur la fonction de la barrière épithéliale et la réponse immunitaire à une infection.
- Écrantage : Fournit des résultats quantitatifs et reproductibles pour l'évaluation de l'efficacité des composés.
- Analytique : Permet la mesure de l'intégrité membranaire, des niveaux de cytokines et de l'activité phagocytaire.
- Recherche translationnelle : Offre une plateforme pour l'alignement des biomarqueurs et la validation dans des contextes pathologiques pertinents.
- Réutilisation en entreprise : Propose un système standardisé et réutilisable pour l'évaluation anti-infectieuse transversale aux programmes.
Impact opérationnel et organisationnel
- Valeur scientifique : Accroît la confiance prédictive dans la validation des cibles et la compréhension mécanistique de l'infection.
- Valeur opérationnelle : Standardise les protocoles de co-culture pour assurer la reproductibilité et l'extensibilité entre les projets.
- Valeur stratégique : Éclaire les décisions d'avancement ou d'abandon et réduit les risques biologiques en phase avancée pour les portefeuilles d'agents anti-infectieux.
- Impact sur le portefeuille : Permet une priorisation ajustée au risque des candidats fondée sur des données fonctionnelles et pertinentes pour la maladie.
Considérations relatives à la mise en œuvre
- Nécessite une expertise dans les techniques de culture de cellules épithéliales des voies respiratoires et de cellules immunitaires.
- Exige un accès à des systèmes de type transwell et à des outils analytiques pour mesurer l'intégrité de la barrière et les cytokines.
- Implique une standardisation interéquipes pour une mise en place reproductible des co-cultures et une analyse fiable des résultats.
- Une adaptation peut être nécessaire selon les combinaisons d'agents pathogènes ou de types cellulaires.
- La complexité du modèle peut limiter le débit par rapport aux essais plus simples en monoculture.
F.A.Q. sur la bio-industrie pharmaceutique
Etudier communautés microbiennes
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Dernière mise à jour : 29 août 2026