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A produção emergente de novos materiais, incluindo produtos químicos e medicamentos, aumenta gradualmente a necessidade de modelos in vitro preditivos. Para cumprir os três princípios de substituição, redução e refinamento dos testes em animais32, os modelos de células in vitro tornaram-se ferramentas poderosas quanto ao aspecto de substituição e redução para mecanismos de elucidação da ação de uma droga ou material8,,9,,10,,11. Apresentado aqui é um protocolo detalhado de montagem do modelo multicelular usando células imunes que são recém-isoladas ou descongeladas de monócitos previamente congelados. Também é descrito o cultivo do modelo na ALI. Por fim, o protocolo ilustra um exemplo de exposição a estímulos proinflamatórios e compara a resposta dos dois modelos contendo monócitos frescos ou congelados.
Vários estudos têm sido realizados para confirmar e justificar o valor agregado da maior complexidade dos modelos cultivados e expostos em condições de ALI em comparação com a exposição submersa convencional7,22,31. A observação da maior resposta proinflamatória em coculturas em comparação com monoculturas de células epiteliais confirmam um estudo anterior. O estudo utilizou o modelo de cocultura apresentado (estimulado com LPS) e mostrou maior resposta aos níveis de expressão genética de TNF e IL1B em comparação com o modelo equivalente de monocultura A5497. Por outro lado, ambos os modelos apresentaram maiores variações dentro dos valores de liberação de mediadores proinflamatórios medidos em comparação com as monoculturas A549. Isso pode ser explicado pelo uso de células imunes de diferentes doadores (casacos buffy) dentro de repetições biológicas (ou seja, uma repetição, um doador), como mostrado anteriormente7. Se desejar, as variações entre as réplicas podem ser superadas por 1) utilizando PBMs descongelados do mesmo doador ou 2) agrupando PBMs de diferentes doadores antes do congelamento das células e, em seguida, posterior utilização do mesmo pool em cada repetição. Incluindo mais repetições biológicas também é recomendado.
A técnica de congelamento celular pode ser considerada como um passo crítico; no entanto, é um procedimento laboratorial comum para a preservação de células para análise fenotípica e funcional. Vários estudos demonstraram que a qualidade dos PBMs congelados é vital para sua sobrevivência, e uma técnica de congelamento adequada é fundamental para o sucesso de ensaios subsequentes com as mesmas células28,32. A modificação do protocolo pode ser realizada por meio do congelamento de PBMs, o que proporciona flexibilidade na configuração experimental, já que a disponibilidade de casacos buffy é geralmente limitada. Outra vantagem do uso de PBMs congelados (em vários frascos) sobre os recém-isolados é que eles podem ser usados em experimentos subsequentes mesmo após 1 ano. Isso diminui a potencial questão da variabilidade doador-a-doador se este for um parâmetro desejado ou necessário em um experimental.
Os resultados de uma comparação interlaboratória realizada após até 13 meses mostram que os PBMs, quando armazenados adequadamente em um tanque de nitrogênio líquido, podem ser usados por um longo período sem qualquer efeito sobre a viabilidade celular ou recuperação celular33. Tempos de armazenamento mais longos (mais de 1 ano) podem ser possíveis após a validação cuidadosa da viabilidade celular e da capacidade de resposta celular antes de realizar um experimento. Além disso, a temperatura no tanque de nitrogênio líquido deve permanecer estável o tempo todo. O principal fator que afetou a viabilidade dos PBMs criopreservados foi a concentração de DMSO, com concentração ideal de 10%-20 % (v/v)28. Para minimizar os efeitos potencialmente nocivos do congelamento, diferentes fontes de proteínas, FBS ou BSA (com uma ampla gama de concentração de 40% até 100 %34) são frequentemente adicionadas ao meio de congelamento como componentes protetores naturais que podem aumentar a sobrevivência celular.
Devido ao alto potencial citotóxico do DMSO, recomenda-se primeiro dispersar PBMs em FBS, depois adicionar DMSO a PBMs já dispersos em FBS. Notavelmente, embora maiores concentrações de FBS (>40%) não apresentaram melhora na viabilidade celular, ao mesmo tempo, não causaram danos às células28. No entanto, o congelamento de monócitos é uma possível abordagem para superar questões de disponibilidade limitada de casacos buffy. No entanto, se desejar o uso de MDDCs e MDMs de PBMs frescos, as células imunes podem ser diferenciadas e utilizadas 5-8 dias após o isolamento7,16,17,,35,,36,,37. Se o planejamento experimental permitir, pelo menos 6 dias de diferenciação em MDDCs e MDMs são recomendados. No entanto, a consistência entre diferentes repetições no mesmo experimento, juntamente com inspeções rotineiras de suas expressões específicas de marcadores de superfície, são cruciais. A capacidade de resposta a um estímulo proinflamatório, como o LPS, após o tempo de diferenciação também deve ser verificada regularmente.
Muitas investigações utilizando a linha celular A549 têm sido realizadas na ALI, seja como monocultura ou combinadas com outros tipos de células (macrófagos, células dendríticas ou fibroblastos) em cocultura 3D modelo22,,24,,29,38. Utilizando este modelo de cocultura 3D, a citotoxicidade, o estresse oxidativo ou efeitos proinflamatórios de (nano-)materiais têm sido investigados por até 72 h1,17,21,,24,29. A semelhança do modelo com o tecido in vivo já foi investigada com base em imagens de escaneamento a laser confocal do modelo16. Ao montar o modelo, é importante considerar tanto a proliferação celular (que pode afetar A549 no modelo aqui apresentado) quanto o desempenho das células imunes primárias (não proliferando) (aqui, MDDCs e MDMs). Também é importante considerar que nem todos os monócitos positivos cd14 se diferenciam em MDDCs e MDMs, e que as células podem estar presentes tanto em formas anexadas quanto suspensas. Com base na natureza do conjunto de cocultura (aqui, ambos os tipos de células precisam se conectar à camada epitelial existente), recomenda-se usar apenas as subsusu populações aderentes de ambos os tipos de células imunes. Além disso, análises rotineiras de monócitos, monografia MDDC e MDM de resposta à moncultura para LPS, e expressão de marcadores de superfície específicos (CD14, CD163, CD86, CD93 ou CD206, dados não mostrados) sugeriram que 6 e 7 dias de diferenciação são os pontos de tempo ideais.
Embora um número realista de células epiteliais alveolares nos pulmões humanos corresponda a ~160.000 células/cm2, o número de células A549 contadas no modelo é de ~1.000.000 células/cm2 após 9 dias cultivados na inserção16,18. Assim, as limitações deste modelo in vitro precisam ser consideradas. Primeiro, a densidade das células epiteliais foi estabelecida com base em sua capacidade de formar uma camada confluente na membrana em crescimento. Também é importante mencionar que o A549 representa uma célula epitelial tipo II com uma forma cuboidal, ao contrário das células epiteliais tipo I, que são planas e outspread. Por outro lado, o número necessário de células imunes foi estabelecido com base na literatura e apresentado neste protocolo como número celular/área de superfície39,,40,,41. A densidade celular de MDDCs na faixa de 400 células/mm2 (4 células/cm2)16 é comparável à densidade celular de estado estável de 500-750 células/mm2 (5- 7 células/cm2) relatada a partir de estudos in vivo39. A densidade de MDMs neste modelo está dentro da mesma faixa de situação in vivo na região alveolar humana40.
A coloração madura do marcador macrófago (25F9) foi observada tanto no lado apical (onde os MDMs estão presentes) quanto no lado basal (ou seja, no local das células dendríticas). A translocação de células imunes através da membrana insere os poros é possível e também tem sido observada utilizando este modelo16, o que pode explicar as diferenças observadas nas intensidades de coloração. No entanto, outra explicação possível é que o marcador de macrófago maduro também pode ser expresso em células dendríticas, mas a expressão é altamente específica do doador42. Além disso, a intensidade da expressão 25F9 é muito maior em MDMs(Figura 7, Figura 8). Ambos os estímulos proinflamatórios (LPS e TNF-α) afetaram a integridade da barreira epitelial pulmonar em ambas as coculturas(Figura 7, Figura 8). Isso era esperado com base em publicações anteriores43,44 mostrando que citocinas proinflamatórias e produtos bacterianos perturbam a integridade das barreiras epiteliais.
O modelo multicelular 3D do epitélio alveolar humano, estabelecido e caracterizado anteriormente17, serviu como uma ferramenta poderosa e útil para avaliar respostas biológicas (ou seja, reações proinflamatórias agudas, resposta ao estresse oxidativo, distribuição de partículas e comunicação celular) in vitro21,24,,25,45. Os resultados confirmam a responsabilidade dos modelos de cocultura com estímulos proinflamatórios (aqui, LPS e TNF-α). A resposta foi ligeiramente aumentada ao usar células imunes de PBMs frescos; no entanto, não houve diferença estatisticamente significativa entre as coculturas utilizando PBMs frescos versus descongelados. Além disso, as reações proinflamatórias de ambos os modelos de cocultura foram maiores do que as das monoculturas de células epiteliais cultivadas sob as mesmas condições (ALI). Em resumo, o protocolo descreve a montagem de um modelo de cocultura de tecido epitelial 3D humano alveolar usando PBMs frescos ou descongelados para diferenciação em MDMs e MDDCs. Mostra-se que ambos os modelos são altamente responsivos a estímulos proinflamatórios; portanto, eles podem servir como ferramentas poderosas para avaliações potenciais de risco e toxicidade.