Chronische aandoeningen van de luchtwegen zoals astma, chronische obstructieve longziekte (COPD) en cystische fibrose zijn wereldwijd enkele van de belangrijkste gezondheidsproblemen1. De prevalentie van luchtwegaandoeningen veroorzaakt door virussen zoals het menselijke influenza A-virus, het respiratoir syncytieel virus (RSV) en het ernstige acute respiratoire syndroom coronavirus 2 (SARS-CoV-2) veroorzaken ook een economische en volksgezondheidslast2. Daarom is er een enorme behoefte aan het ontwikkelen van behandelingsregimes voor aandoeningen van de luchtwegen die leiden tot onomkeerbare schade aan het ademhalingsweefsel. Het respiratoire epitheelweefsel zelf is niet alleen betrokken bij de zuurstofopname, maar vormt ook een barrière om het lichaam te beschermen tegen binnendringende ziekteverwekkers en gevaarlijke chemicaliën3. Het respiratoire epitheel heeft een complexe cellulaire organisatie die bestaat uit drie hoofdceltypen: trilhaarcellen, slijmbekercellen en basale cellen. Onlangs is er een rapport verschenen over de aanwezigheid van nieuwe maar zeldzame ionocytcellen in het luchtwegepitheel4. Het complexe weefsel functioneert op een gecoördineerde manier om aangeboren immuunresponsen te bieden, zoals secretie van antimicrobiële peptiden, afgifte van cytokines om een adaptieve immuunrespons te activeren en mucociliaire klaring5. Het ontbreken van een geschikt luchtwegmodel is een van de obstakels voor de studie van luchtweginfecties en de ontwikkeling van behandelingen.
Het lucht-vloeistof interface (ALI) model wordt een belangrijk instrument voor onderzoek naar aandoeningen van de luchtwegen6. Het is een effectief in vitro longluchtwegmodel, aangezien de primaire longluchtwegcellen differentiëren tot een pseudogestratificeerd luchtwegepitheel dat bestaat uit ten minste drie soorten cellen die zich over het algemeen aan de apicale zijde van de luchtwegen bevinden. Ten eerste bedekken trilhaarcellen het grootste deel van de apicale zijde van de luchtwegen en dragen ze bij aan de mucociliaire klaring. Ten tweede produceren slijmbekercellen slijm en zijn ze de grootste cellen die samen met ciliaire cellen aan de apicale zijde van de luchtwegen verblijven. Ten derde bevinden basale cellen zich in de basale laag van de luchtwegen en zijn het de voorlopercellen die differentiëren tot verschillende epitheelcellen 5,7. Hoewel ionocyten en tuftcellen zeldzaam zijn in het luchtwegepitheel, kunnen ze ook een rol spelen bij de ciliaire functie en membraanpermeabiliteit4. Deze techniek verschilt van de traditionele ondergedompelde celcultuur, die de in vivo longomgeving niet nabootst. Aangezien ALI wordt geproduceerd uit primaire epitheelcellen die zijn afgeleid van gezonde mensen, patiënten met astma en COPD, biedt het een meer divers platform voor het bestuderen van reacties op infectie en pathofysiologie van de ziekte.
De gezondheidsbeoordeling van de door ALI ontwikkelde culturen is een essentieel aspect om te monitoren, om de levensvatbaarheid, functionaliteit en fysiologische relevantie van de gekweekte cellen te waarborgen. Het vergroot het vertrouwen in de integriteit, betrouwbaarheid en reproduceerbaarheid van ALI-culturen. Zoals eerder gepubliceerd, heeft onze groep de integriteit van de ALI-cultuur geëvalueerd door twee biofysische parameters te beoordelen: ciliaire functie door ciliaire slagfrequentie (CBF) te kwantificeren en integriteit van de epitheliale barrière door transepitheliale elektrische weerstand (TEER) te bepalen6,7,8. Mucociliaire klaring (MCC) is een van de belangrijke kenmerken van het luchtwegepitheel dat door trilhaarcellen wordt gedragen. Gespecialiseerde organellen, cilia genaamd, op het oppervlak van trilhaarcellen, kloppen in metachronale golven om de luchtwegen vrij te maken van infecties en ingeademde deeltjes die vastzitten in de slijmlaag van het luchtwegepitheel. Effectieve MCC is volledig afhankelijk van de juiste ciliaire activiteit9. Een goede CBF is een indicatie van een gezond, intact luchtwegepitheel; daarom levert monitoring van de CBF voor ALI-culturen waardevol inzicht in de integriteit van het epitheel10. Hoewel er meerdere manieren zijn om CBF te kwantificeren, bijvoorbeeld high-speed videomicroscopie11 en fase-opgeloste Doppler optische coherentietomografie12, vereist elke methode technische expertise en gespecialiseerde apparatuur. In dit protocol bieden we een eenvoudigere en minder technische manier om CBF van het gedifferentieerde luchtwegepitheel te kwantificeren. We hebben ook een methode beschreven voor het kwantificeren van TEER van hetzelfde epitheel, die de integriteit en barrièrefunctie van epitheelweefsels aangeeft13.