Establishing a Co-Culture Model to Study Host-Pathogen Interactions at the Air-Liquid Interface
JoVE Encyclopedia of Experiments
Microbiologia
0 visualizzazioni • 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.
Panoramica
Questo articolo presenta un modello tridimensionale di co-coltura di cellule epiteliali bronchiali e cellule simili a macrofagi all'interfaccia aria-liquido (ALI) per lo studio delle interazioni ospite-patogeno, concentrandosi in particolare sull'infezione da Pseudomonas aeruginosa. Il modello riproduce la barriera epiteliale delle vie aeree umane e consente la valutazione preclinica di strategie anti-infettive osservando l'integrità epiteliale, l'attivazione delle cellule immunitarie e i meccanismi di eliminazione del patogeno.
Componenti Chiave dello Studio
Area della Scienza
- Biologia cellulare
- Immunologia
- Microbiologia
- Ricerca respiratoria
Sfondo
- L'epitelio delle vie aeree funge da barriera primaria contro i patogeni respiratori.
- I macrofagi svolgono un ruolo cruciale nella difesa immunitaria innata all'interno del polmone.
- I modelli tradizionali di monocultura non presentano la complessità delle interazioni cellula-cellula esistenti in vivo.
- I sistemi di co-coltura 3D all'interfaccia aria-liquido riproducono meglio le condizioni fisiologiche per studi sull'infezione.
Scopo dello studio
- Per stabilire un modello in vitro fisiologicamente rilevante per lo studio P. aeruginosa infezione
- Per studiare l'interazione tra cellule epiteliali bronchiali e cellule simili a macrofagi durante l'infezione.
- Per valutare l'integrità della barriera epiteliale e le risposte immunitarie in seguito a una sfida batterica.
Metodi Utilizzati
- Coltivare le cellule epiteliali bronchiali fino a confluenza su inserti di membrana transwell.
- Sezionare cellule di tipo macrofagico sulla faccia inferiore della membrana per mimare la barriera delle vie aeree.
- Aggiungere P. aeruginosa al lato apicale (superiore) dello strato epiteliale.
- Incubare per consentire l'adesione e la colonizzazione batterica.
- Stabilire un'interfaccia aria-liquido rimuovendo il liquido apicale mantenendo il mezzo di coltura al di sotto.
- Osservare la rottura dell'epitelio, il rilascio di citochine e la migrazione e fagocitosi da parte dei macrofagi.
Risultati principali
- L'infezione batterica altera le giunzioni strette dell'epitelio, aumentandone la permeabilità.
- Le cellule epiteliali infette rilasciano citochine pro-infiammatorie.
- Le citochine promuovono la migrazione di cellule simili a macrofagi verso lo strato epiteliale.
- Le cellule simili a macrofagi riconoscono e fagocitano i batteri, riproducendo la rimozione del patogeno.
Conclusioni
- Il modello 3D di co-coltura ALI simula efficacemente la dinamica delle infezioni del tratto respiratorio.
- Consente lo studio dettagliato della funzione della barriera epiteliale e delle risposte delle cellule immunitarie.
- Questo sistema è utile per la valutazione preclinica di terapie anti-infettive mirate alle infezioni delle vie aeree.
Domande frequenti
Rilevanza Industriale del Progetto
La creazione di un modello di co-coltura 3D all'interfaccia aria-liquido consente una valutazione predittiva delle interazioni ospite-patogeno in un contesto respiratorio fisiologicamente rilevante. Questo sistema supporta la riduzione del rischio meccanicistica nella scoperta di agenti anti-infettivi, modellando la compromissione della barriera epiteliale e le risposte delle cellule immunitarie. L'approccio migliora la fiducia traslazionale nella valutazione preclinica dei candidati anti-infettivi e nella selezione del portafoglio.
Applicazioni Strategiche nella Ricerca e Sviluppo in Biopharma
Scoperta Precoce e Validazione del Target
- Permette l'analisi dei meccanismi di interazione ospite-patogeno in un sistema controllato e rilevante per la malattia.
- Supporta la riduzione dei rischi biologici modellando l'integrità della barriera epiteliale e l'attivazione immunitaria.
- Facilita la validazione funzionale di bersagli per strategie anti-infettive mirate alle infezioni delle vie aeree.
Sviluppo di Screening e Saggi
- Fornisce una piattaforma di co-coltura validata per la valutazione quantitativa della rottura dell'epitelio e della migrazione delle cellule immunitarie.
- Permette la misurazione riproducibile del rilascio di citochine e della rimozione del patogeno come punti finali del saggio.
- Supporta la predisposizione allo screening per valutare l'efficacia di composti anti-infettivi in un contesto biologico complesso.
Ricerca Translazionale e Preclinica
- Si allinea a modelli respiratori pertinenti alle malattie per lo sviluppo traslazionale di biomarcatori.
- Garantisce continuità dalla scoperta alla validazione preclinica modellando le risposte delle vie aeree umane.
- Riduce il rischio traslazionale fornendo dati predittivi sulle dinamiche delle cellule epiteliali e immunitarie.
Integrazione di Pipeline e Flusso di Lavoro
Questo modello di co-coltura si integra nel percorso dalla scoperta alla fase preclinica per la ricerca e sviluppo di agenti anti-infettivi, collegando studi meccanicistici iniziali e la valutazione di candidati preclinici.
- Biologia della scoperta: Supporta la verifica di ipotesi sulla funzione della barriera epiteliale e sulla risposta immunitaria all'infezione.
- Screening: Fornisce output quantitativi e riproducibili per la valutazione dell'efficacia dei composti.
- Analisi: Consente la misurazione dell'integrità della membrana, dei livelli di citochine e dell'attività fagocitica.
- Ricerca traslazionale: Offre una piattaforma per l'allineamento dei biomarcatori e la validazione in contesti rilevanti per la malattia.
- Riutilizzo aziendale: Offre un sistema riutilizzabile e standardizzato per la valutazione anti-infettiva trasversale ai programmi.
Impatto Operativo ed Aziendale
- Valore scientifico: Aumenta la fiducia predittiva nella validazione degli obiettivi e nella comprensione meccanicistica dell'infezione.
- Valore operativo: Standardizza i flussi di lavoro delle colture cellulari miste per garantire riproducibilità e scalabilità tra diversi progetti.
- Valore strategico: Orienta le decisioni di avanzamento o interruzione e riduce i rischi biologici in fasi avanzate per i portafogli di agenti anti-infettivi.
- Impatto sul portafoglio: Permette la priorizzazione dei candidati aggiustata per il rischio, basata su dati funzionali e pertinenti alla malattia.
Considerazioni sull'implementazione
- Richiede competenze nelle tecniche di coltura cellulare di epitelio delle vie aeree e cellule immunitarie.
- Necessita dell'accesso a sistemi transwell e strumenti analitici per la misurazione dell'integrità della barriera e delle citochine.
- Richiede una standardizzazione tra team diversi per un allestimento riproducibile delle colture in co-coltura e un'analisi affidabile dei risultati.
- Potrebbe essere necessaria un'adattamento per diverse combinazioni di patogeni o tipi cellulari.
- La complessità del modello potrebbe limitare la produttività rispetto a saggi più semplici in monocultura.
Domande frequenti sulla biofarmaceutica
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Ultimo aggiornamento: 29 agosto 2026