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Gli alveoli sono i sacchi terminali del sistema respiratorio e fungono da principale sito di scambio gasso. Sono composti principalmente da cellule epiteliali alveolari di tipo I e II, responsabili dello scambio gasso, delle funzioni immunitarie e del mantenimento dell'integrità strutturale, e di fibroblasti all'interno delle pareti, che mantengono l'omeostasi della matriceextracellulare 1. Queste e altre cellule residenti sono continuamente esposte a tensione ciclica di allungamento e taglio durante larespirazione 2. Tali segnali meccanici vengono trasdotti in segnali biochimici che influenzano la struttura cellulare, la differenziazione e la comunicazione3.
Lo sforzo meccanico patologico è osservato nelle malattie polmonari come la broncopneumopatia cronica ostruttiva (BPCO). La BPCO è una condizione progressiva caratterizzata da distruzione parenchimante, infiammazione cronica e restringimento delle piccole vieaeree. In questa malattia, la distruzione delle pareti alveolari, la perdita di elastina, la rimodellazione della matrice extracellulare (ECM) che porta alla fibrosi e l'infiammazione cronica compromettono collettivamente la capacità del polmone di resistere ai dannistrutturali 5,6. Questo provoca deformazioni alveolari eterogenee e anomale durante la respirazione, che si aggravanoulteriormente durante le riacutizzazioni 7,8.
Sebbene siano stati utilizzati diversi approcci in vitro per studiare la biologia alveolare, ciascuno presenta limitazioni notevoli. I sistemi di co-coltura 2D facilitano l'indagine delle interazioni cellula-cellula ma non riescono a catturare l'architettura tissutale o la dinamica della matrice extracellulare, riducendo la rilevanza fisiologica. Le culture 3D statiche preservano meglio l'organizzazione strutturale e le interazioni matriciali, ma non incorporano segnali meccanici dinamici presenti in vivo. Le piattaforme microfluidiche e organ-on-chip possono imitare il flusso dei fluidi e la tensione meccanica, fornendo un'elevata fedeltà fisiologica, ma spesso sono tecnicamente complesse, a basso rendimento ecostose 9. Al contrario, il modello organoide 3D a deformazione meccanica presentato qui combina complessità strutturale, eterogeneità cellulare e stimolazione meccanica controllata, un aspetto spesso trascurato nei modelli esistenti, all'interno di una piattaforma riproducibile e scalabile che offre un equilibrio tra rilevanza fisiologica e accessibilitàsperimentale 10,11.
Per comprendere i complessi meccanismi che contribuiscono a malattie come la BPCO e scoprire bersagli terapeutici, sono stati stabiliti modelli di malattia. Nonostante la sua importanza, lo sforzo meccanico viene spesso trascurato nei modelli alveolari in vitro utilizzati per studiare i meccanismi e la patogenesi delle malattie polmonari come la BPCO. Per colmare questa lacuna, presentiamo un metodo per la coltivazione di organoidi fibroteliali epiteliali alveolari in una matrice basale, recuperandoli e incorporandoli in gel di collagene 3D, applicando la tensione meccanica ciclica utilizzando un bioreattore a stretching cellulare e valutando i principali risultati strutturali e funzionali. Questi modelli organoidi meccanici 3D catturano meglio le interazioni cellulari e il microambiente della nicchia alveolare umana, permettendo lo studio della diafonia epiteliale-mesenchimale12.
Il bioreattore applica la deformazione equibiaxiale con parametri configurabili, permettendo fino al 30% di allungamento e frequenze fino a 5 Hz per modellare sia condizioni fisiologiche che patologiche. In questo studio, abbiamo generato modelli organoidi incorporati in idrogel di collagene-I sottoposti a uno sforzo del 18% a 0,4 Hz per 24 ore per simulare la respirazione patologica. Abbiamo stabilito un flusso di lavoro standardizzato di caratterizzazione che include immunocolorazione per marcatori cellulari specifici e immunosaggi per quantificare il rilascio del mediatore immunitario dopo lo sforzo meccanico. L'obiettivo di questo studio è fornire una piattaforma fisiologicamente rilevante, facile da usare e adattabile per indagare la biologia alveolare sotto stress meccanico.