Establishing a Co-Culture Model to Study Host-Pathogen Interactions at the Air-Liquid Interface
0 조회수 • 1:50 분 • 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.
개요
본 논문은 숙주-병원체 상호작용, 특히 Pseudomonas aeruginosa 감염을 연구하기 위해 공기-액체 계면(ALI)에서 기관지 상피세포와 대식세포 유사 세포를 3D 공동 배양하는 모델을 제시합니다. 이 모델은 인간 기도 상피 장벽을 모사하며, 상피 무결성, 면역 세포 활성화 및 병원체 제거 메커니즘을 관찰함으로써 항감염 전략의 전임상 평가를 가능하게 합니다.
주요 연구 구성 요소
과학 분야
- 세포 생물학
- 면역학
- 미생물학
- 호흡기 연구
배경
- 기도 상피는 호흡기 병원균에 대한 주요 장벽 역할을 합니다.
- 대식세포는 폐 내 선천성 면역 방어에서 중요한 역할을 합니다.
- 전통적인 단일 배양 모델은 체내(in vivo)에 존재하는 세포 간 상호작용의 복잡성이 부족합니다.
- ALI 조건의 3D 공배양 시스템은 감염 연구를 위한 생리적 조건을 더 잘 재현합니다.
연구 목적
- P. aeruginosa 감염 연구를 위해 생리학적으로 유의미한 인비트로(in vitro) 모델을 구축한다.
- 감염 과정 중 기관지 상피 세포와 대식세포 유사 세포 간의 상호작용을 조사한다.
- 박테리아 자극에 따른 상피 장벽의 무결성과 면역 반응을 평가한다.
사용된 방법
- 트랜스웰 멤브레인 인서트 상에 기관지 상피 세포를 배양하여 단층(confluence)을 형성함.
- 기도 장벽을 모사하기 위해 멤브레인 하단에 대식세포 유사 세포를 파종함.
- 상피 세포층의 정단(apical, 상단) 쪽에 P. aeruginosa를 첨가함.
- 박테리아의 부착 및 군집 형성을 위해 배양함.
- 하단의 배지는 유지한 상태에서 정단측 액체를 제거하여 공기-액체 계면(air-liquid interface)을 구축함.
- 상피 세포 파괴, 사이토카인 방출, 대식세포의 이동 및 식균 작용을 관찰함.
주요 결과
- 박테리아 감염은 상피 세포의 밀착 연접을 파괴하여 투과성을 증가시킵니다.
- 감염된 상피 세포는 전염증성 사이토카인을 방출합니다.
- 사이토카인은 대식세포 유사 세포가 상피층 쪽으로 이동하도록 촉진합니다.
- 대식세포 유사 세포는 박테리아를 인식하고 포식하여 병원체 제거 과정을 모델링합니다.
결론
- 3D 공배양 ALI 모델은 호흡기 감염 역학을 효과적으로 모사합니다.
- 이 모델을 통해 상피 장벽 기능과 면역 세포 반응을 상세히 연구할 수 있습니다.
- 본 시스템은 기도 감염을 대상으로 하는 항감염 치료제의 전임상 평가에 유용합니다.
자주 묻는 질문
산업적 관련성 요약
공기-액체 계면(air-liquid interface)에서 3D 공배양 모델을 구축하면 생리학적으로 유의미한 호흡기 환경에서 숙주-병원체 상호작용의 예측적 평가가 가능합니다. 이 시스템은 상피 장벽 파괴와 면역 세포 반응을 모델링함으로써 항감염제 발굴을 위한 기전적 위험 제거(de-risking)를 지원합니다. 이러한 접근 방식은 전임상 항감염제 후보 물질 평가 및 포트폴리오 선별에 있어 중개 연구의 신뢰도를 높여줍니다.
바이오 제약 R&D의 전략적 응용
초기 발견 및 타겟 검증
- 제어 가능하고 질병 관련성이 높은 시스템에서 호스트-병원체 상호작용 기전의 분석을 가능하게 합니다.
- 상피 장벽의 무결성과 면역 활성화를 모델링함으로써 생물학적 리스크 감소를 지원합니다.
- 기도 감염을 표적으로 하는 항감염 전략의 기능적 타겟 검증을 용이하게 합니다.
스크리닝 및 분석법 개발
- 상피 세포 파괴 및 면역 세포 이동의 정량적 평가를 위한 검증된 공동 배양 플랫폼을 제공합니다.
- 분석 종점으로서 사이토카인 방출 및 병원체 제거의 재현 가능한 측정을 가능하게 합니다.
- 복잡한 생물학적 맥락에서 항감염 화합물의 효능을 평가하기 위한 스크리닝 준비 상태를 지원합니다.
중개 및 전임상 연구
- 중개 바이오마커 개발을 위해 질병 관련 호흡기 모델과 일치합니다.
- 인체 기도 반응을 모델링하여 발굴 단계부터 전임상 검증까지의 연속성을 보장합니다.
- 상피 및 면역 세포 역학에 대한 예측 데이터를 제공하여 중개 연구의 위험을 줄입니다.
파이프라인 및 워크플로우 통합
이 공동 배양 모델은 항감염제 R&D의 발견에서 전임상 단계에 이르는 연속체에 통합되어, 초기 기전 연구와 전임상 후보 물질 평가 사이의 가교 역할을 합니다.
- 발견 생물학: 상피 장벽 기능 및 감염에 대한 면역 반응의 가설 검증을 지원합니다.
- 스크리닝: 화합물 효능 평가를 위한 정량적이고 재현 가능한 결과물을 제공합니다.
- 분석: 막 무결성, 사이토카인 수치 및 식세포 활성 측정을 가능하게 합니다.
- 중개 연구: 바이오마커 일치 및 질환 관련 검증을 위한 플랫폼을 제공합니다.
- 기업 내 재사용: 여러 프로그램에 걸친 항감염제 평가를 위해 재사용 가능한 표준화된 시스템을 제공합니다.
운영 및 기업 영향
- 과학적 가치: 타겟 검증 및 감염 메커니즘 이해에 대한 예측 신뢰도를 높입니다.
- 운영적 가치: 프로젝트 전반의 재현성과 확장성을 위해 공동 배양 워크플로우를 표준화합니다.
- 전략적 가치: 고/노고(go/no-go) 결정에 정보를 제공하고 항감염제 포트폴리오의 후기 단계 생물학적 리스크를 줄입니다.
- 포트폴리오 영향: 기능적이고 질병 관련성이 높은 데이터를 기반으로 후보 물질의 리스크 조정 우선순위 지정을 가능하게 합니다.
실행 시 고려 사항
- 기도 상피 및 면역 세포 배양 기술에 대한 전문 지식이 필요합니다.
- 장벽 무결성 및 사이토카인 측정을 위한 트랜스웰 시스템과 분석 도구의 사용이 가능해야 합니다.
- 재현 가능한 공동 배양 설정 및 판독 분석을 위해 팀 간의 표준화가 요구됩니다.
- 서로 다른 병원체 또는 세포 유형 조합에 따라 조정이 필요할 수 있습니다.
- 모델의 복잡성으로 인해 단순한 단일 배양 분석에 비해 처리량이 제한될 수 있습니다.
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마지막 업데이트: 29 8월 2026