Establishing a Co-Culture Model to Study Host-Pathogen Interactions at the Air-Liquid Interface
JoVE Encyclopedia of Experiments
Mikrobiologia
0 wyświetleń • 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.
Przegląd
Niniejszy artykuł przedstawia trójwymiarowy (3D) model kokultury komórek nabłonka oskrzeli i komórek podobnych do makrofagów na granicy faz powietrze-ciecz (ALI) w celu badania interakcji między gospodarzem a patogenem, ze szczególnym uwzględnieniem zakażeń Pseudomonas aeruginosa. Model ten naśladuje barierę nabłonka dróg oddechowych człowieka i umożliwia przedkliniczną ocenę strategii przeciwzakaźnych poprzez obserwację integralności nabłonka, aktywacji komórek odpornościowych oraz mechanizmów eliminacji patogenów.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Biologia komórki
- Immunologia
- Mikrobiologia
- Badania nad układem oddechowym
Wstęp
- Nabłonek dróg oddechowych stanowi główną barierę przeciwko patogenom układu oddechowego.
- Makrofagi odgrywają kluczową rolę w nieswoistej odpowiedzi odpornościowej w płucach.
- Tradycyjne modele monokultury nie oddają złożoności oddziaływań międzykomórkowych występujących in vivo.
- Trójwymiarowe systemy kokultury w warunkach ALI lepiej odzwierciedlają warunki fizjologiczne w badaniach nad infekcjami.
Cel badania
- W celu stworzenia fizjologicznie istotnego modelu in vitro do badania infekcji P. aeruginosa.
- W celu zbadania interakcji między komórkami nabłonka oskrzeli a komórkami macrofagopodobnymi podczas infekcji.
- W celu oceny integralności bariery nabłonkowej oraz odpowiedzi immunologicznych po ekspozycji na bakterie.
Zastosowane metody
- Kultywowanie komórek nabłonka oskrzeli do osiągnięcia konfluencji na wkładkach membranowych typu transwell.
- Wysiewanie komórek macrofagopodobnych na dolną stronę membrany w celu odtworzenia bariery dróg oddechowych.
- Dodanie P. aeruginosa na stronę apikalną (górną) warstwy nabłonka.
- Inkubacja w celu umożliwienia przylegania i kolonizacji bakterii.
- Ustanowienie interfejsu powietrze-ciecz poprzez usunięcie cieczy z powierzchni apikalnej przy jednoczesnym zachowaniu pożywki poniżej.
- Obserwacja uszkodzenia nabłonka, uwalniania cytokin oraz migracji i fagocytozy makrofagów.
Główne wyniki
- Zakażenie bakteryjne zaburza połączenia ścisłe nabłonka, zwiększając jego przepuszczalność.
- Zakażone komórki nabłonkowe uwalniają cytokiny prozapalne.
- Cytokiny stymulują migrację komórek macrofagopodobnych w kierunku warstwy nabłonkowej.
- Komórki macrofagopodobne rozpoznają i pochłaniają bakterie, modelując proces usuwania patogenów.
Wnioski
- Trójwymiarowy model kokultury ALI skutecznie symuluje dynamikę infekcji dróg oddechowych.
- Umożliwia on szczegółowe badanie funkcji bariery nabłonkowej oraz odpowiedzi komórek odpornościowych.
- System ten jest cenny w przedklinicznej ocenie terapii przeciwinfekcyjnych ukierunkowanych na zakażenia dróg oddechowych.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla sektora przemysłowego
Ustanowienie modelu kokultury 3D na granicy faz powietrze-ciecz umożliwia predykcyjną ocenę oddziaływań gospodarz-patogen w fizjologicznie istotnym kontekście układu oddechowego. System ten wspiera mechanistyczną redukcję ryzyka w procesie odkrywania leków przeciwdrobnoustrojowych poprzez modelowanie przerwania bariery nabłonkowej oraz odpowiedzi komórek odpornościowych. Podejście to zwiększa pewność translacyjną w ocenie preklinicznej kandydatów na leki przeciwdrobnoustrojowe i w selekcji portfela projektów.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju BioPharma
Wczesne etapy odkrywania i walidacja celu
- Umożliwia badanie mechanizmów oddziaływania gospodarza i patogenu w kontrolowanym systemie istotnym dla przebiegu choroby.
- Wspiera biologiczną ocenę ryzyka poprzez modelowanie integralności bariery nabłonkowej i aktywacji immunologicznej.
- Ułatwia funkcjonalną walidację celów dla strategii przeciwdrobnoustrojowych ukierunkowanych na infekcje dróg oddechowych.
Przesiewanie i opracowanie analizy
- Zapewnia zwalidowaną platformę kokultury do ilościowej oceny przerwania ciągłości nabłonka oraz migracji komórek odpornościowych.
- Umożliwia reprodukowalny pomiar uwalniania cytokin i eliminacji patogenów jako punktów końcowych analizy.
- Wspiera gotowość do przesiewowego badania skuteczności związków przeciwdrobnoustrojowych w złożonym kontekście biologicznym.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Jest zgodne z modelami oddechowymi istotnymi dla chorób, co ułatwia opracowywanie biomarkerów translacyjnych.
- Zapewnia ciągłość od etapu odkrycia po walidację przedkliniczną poprzez modelowanie odpowiedzi dróg oddechowych człowieka.
- Zmniejsza ryzyko translacyjne, dostarczając danych prognostycznych na temat dynamiki komórek nabłonkowych i odpornościowych.
Integracja potoku i przepływu pracy
Niniejszy model kokultury integruje się z kontinuum od odkrycia do badań przedklinicznych w obszarze B+R nad środkami przeciwinfekcyjnymi, stanowiąc pomost między wczesnymi badaniami nad mechanizmami a ewaluacją kandydatów w badaniach przedklinicznych.
- Biologia odkrywcza: Wspiera testowanie hipotez dotyczących funkcji bariery nabłonkowej i odpowiedzi immunologicznej na infekcję.
- Przesiewy: Dostarcza ilościowe, powtarzalne wyniki do oceny skuteczności związków.
- Analityka: Umożliwia pomiar integralności błon, poziomu cytokin oraz aktywności fagocytarnej.
- Badania translacyjne: Zapewnia platformę do dopasowania biomarkerów i walidacji w kontekście chorób.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Oferuje wielokrotnego użytku, ustandaryzowany system do oceny środków przeciwinfekcyjnych w różnych programach badawczych.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorczy
- Wartość naukowa: Zwiększa pewność prognostyczną w walidacji celu oraz w zrozumieniu mechanizmów infekcji.
- Wartość operacyjna: Standaryzuje przepływy pracy w kokulturach w celu zapewnienia powtarzalności i skalowalności w różnych projektach.
- Wartość strategiczna: Dostarcza podstaw do decyzji o kontynuacji lub przerwaniu prac (go/no-go) i redukuje późnostadiowe ryzyko biologiczne dla portfela leków przeciwinfekcyjnych.
- Wpływ na portfolio: Umożliwia priorytetyzację kandydatów z uwzględnieniem ryzyka na podstawie funkcjonalnych danych istotnych dla przebiegu choroby.
Uwagi dotyczące wdrożenia
- Wymaga doświadczenia w technikach hodowli komórek nabłonka dróg oddechowych oraz komórek układu odpornościowego.
- Wymagany jest dostęp do systemów transwell oraz narzędzi analitycznych do pomiaru integralności bariery i poziomu cytokin.
- Niezbędna jest standaryzacja międzyzespołowa w celu zapewnienia powtarzalności konfiguracji kokultury i analizy wyników.
- Możliwa może być konieczność adaptacji metody dla różnych patogenów lub kombinacji typów komórek.
- Złożoność modelu może ograniczać przepustowość w porównaniu do prostszych testów monokulturowych.
Najczęściej zadawane pytania dotyczące biofarmacji
Badanie społeczności drobnoustrojów in vivo: model interakcji między Candida albicans i Pseudomonas aeruginosa w drogach oddechowych za pośrednictwem gospodarza
Powiązane filmy
0 Wyświetlenia
Metoda wspólnej hodowli do badania przesłuchów między napromieniowanymi promieniowaniem rentgenowskim komórkami Caco-2 a PBMC
Powiązane filmy
0 Wyświetlenia
Ludzkie monowarstwy okrężnicy do badania interakcji między patogenami, komensalami i nabłonkiem jelitowym gospodarza
Powiązane filmy
0 Wyświetlenia
Mikrofluidyczna kokultura komórek nabłonkowych i bakterii do badania oddziaływań zapśredniczonych przez sygnały rozpuszczalne
Powiązane filmy
0 Wyświetlenia
Modele kokultury biofilmów Pseudomonas aeruginosa hodowanych na żywych komórkach dróg oddechowych człowieka
Powiązane filmy
0 Wyświetlenia
Wykorzystanie modelu EpiAirway do charakteryzacji długotrwałych interakcji gospodarz-patogen
Powiązane filmy
0 Wyświetlenia
Ustanowienie pokrytej cieczą hodowli spolaryzowanych ludzkich komórek nabłonka nabłonka dróg oddechowych Calu-3 w celu zbadania odpowiedzi komórek gospodarza na patogeny układu oddechowego in vitro
Powiązane filmy
0 Wyświetlenia
Hodowla ludzkich komórek nabłonka nosa na granicy faz powietrza i cieczy
Powiązane filmy
0 Wyświetlenia
P. aeruginosa (P. aeruginosa) Zakażona kohodowla 3D komórek nabłonka oskrzeli i makrofagów na granicy faz powietrze-ciecz w celu przedklinicznej oceny środków przeciwinfekcyjnych
Powiązane filmy
0 Wyświetlenia
Mikroprzepływowe modele kohodowli do analizy odpowiedzi immunologicznej w mikrośrodowiskach nowotworowych in vitro
Powiązane filmy
0 Wyświetlenia
Ostatnia aktualizacja: 29 sierpnia 2026