通過共培養(yǎng)模型了解成纖維細(xì)胞-免疫細(xì)胞在哮喘發(fā)病機(jī)制中的作用

哮喘是一種慢性氣道的炎癥性疾病，是由過敏源（如花粉、塵螨、異味等）、運(yùn)動因素、環(huán)境因素、遺傳因素等引起的，并且是一種高度異質(zhì)的肺部疾病，涉及慢性氣道炎癥、氣流受限、氣道高反應(yīng)性引起氣道壁增厚和纖維化，導(dǎo)致氣道重塑。目前尚無治愈哮喘的方法，該疾病的大多數(shù)藥物治療可以主要控制炎癥癥狀，而氣道中的纖維化病變在很大程度上是不可逆的。

參與氣道纖維化的主要效應(yīng)細(xì)胞是成纖維細(xì)胞，主要負(fù)責(zé)合成和分泌肺部細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）。在哮喘的病理生物學(xué)中，在暴露于過敏原后，成纖維細(xì)胞對受損氣道上皮細(xì)胞釋放的各種介質(zhì)（例如細(xì)胞因子、趨化因子）產(chǎn)生反應(yīng)。這些上皮細(xì)胞因子還會募集不同的免疫細(xì)胞，如嗜酸性粒細(xì)胞、肥大細(xì)胞和 TH2細(xì)胞，然后與成纖維細(xì)胞通信以增加各種哮喘特征的誘導(dǎo)。研究已經(jīng)指出了成纖維細(xì)胞在不同肺部疾病（如哮喘）的各種機(jī)制方面與免疫細(xì)胞潛在溝通的能力。

為了評估免疫細(xì)胞和成纖維細(xì)胞如何相互作用，研究人員利用了大量復(fù)雜的3D體外模型。使用的各種模型范圍從簡單的共培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)到更復(fù)雜的3D培養(yǎng)和微流控芯片系統(tǒng)。在這些系統(tǒng)中，將成纖維細(xì)胞與各種免疫細(xì)胞共培養(yǎng)，可以研究肺成纖維細(xì)胞與免疫細(xì)胞串?dāng)_的特定機(jī)制。這反過來又促進(jìn)了針對性治療和藥物研究的進(jìn)展，以減少疾病癥狀，并最終有助于找到治療哮喘的方法。
在不列顛哥倫比亞大學(xué)生物學(xué)系、溫哥華圣保羅醫(yī)院心肺創(chuàng)新中心研究團(tuán)隊(duì)的一項(xiàng)綜述中，首次提供了使用復(fù)雜3D體外共培養(yǎng)模型來評估肺免疫細(xì)胞-成纖維細(xì)胞相互作用的研究總結(jié)，以及這些相互作用如何促進(jìn)哮喘各種特征的機(jī)制。相關(guān)內(nèi)容發(fā)表在 Frontiers in Immunology  期刊題為“Understanding fibroblast-immune cell interactions via co-culture models and their role in asthma pathogenesis”。 目前，有不同類型的復(fù)雜體外模型用于專門模擬哮喘患者和健康個(gè)體體內(nèi)肺環(huán)境中成纖維細(xì)胞-免疫細(xì)胞相互作用的三維空間方向。其中，最簡單的是條件培養(yǎng)基（CM）暴露模型（圖1 A），免疫細(xì)胞和成纖維細(xì)胞作為單層分別培養(yǎng)，收獲無細(xì)胞碎片的培養(yǎng)基并與另一種細(xì)胞類型一起孵育。這可以評估從兩種細(xì)胞類型釋放的可溶性介質(zhì)如何影響彼此的表型。

此外，根據(jù)研究目的和評估的細(xì)胞-細(xì)胞相互作用，不同的研究也使用了2D共培養(yǎng)的各種變體。其中包括共培養(yǎng)模型，將成纖維細(xì)胞和免疫細(xì)胞混合并放置在底部有培養(yǎng)基的通透性插入式Transwell小室中共同培養(yǎng)（圖1 B）。其他變體包括將成纖維細(xì)胞培養(yǎng)在具有通透性的Transwell培養(yǎng)小室中，免疫細(xì)胞直接培養(yǎng)在培養(yǎng)板下室（圖1 C），或者將免疫細(xì)胞培養(yǎng)在懸掛的Transwell小室下方的培養(yǎng)孔表面上。在共培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)中，成纖維細(xì)胞和免疫細(xì)胞的位置是可以互換的，這取決于正在研究的是哪種免疫細(xì)胞-成纖維細(xì)胞相互作用。

通過添加3D水凝膠（如I型膠原蛋白-凝膠），可以進(jìn)一步改進(jìn)共培養(yǎng)模型，以更接近于模擬肺部微環(huán)境的3D組織取向和結(jié)構(gòu)。I型膠原凝膠包裹的肺成纖維細(xì)胞已被用于研究免疫細(xì)胞與成纖維細(xì)胞的相互作用，方法是將免疫細(xì)胞和成纖維細(xì)胞共包裹在I型膠原凝膠中（圖1 D），在成纖維細(xì)胞包裹的膠原凝膠上播種免疫細(xì)胞（圖1 E），或?qū)⒚庖呒?xì)胞培養(yǎng)在培養(yǎng)孔中肺成纖維細(xì)胞接種的3D I型膠原凝膠上的Transwell小室上（圖1 F）。這些模型有可能在添加不同免疫細(xì)胞類型時(shí)檢查成纖維細(xì)胞-上皮細(xì)胞-免疫細(xì)胞的相互作用。 （A）條件培養(yǎng)基暴露處理模型。（B）免疫細(xì)胞和成纖維細(xì)胞在半透性transwell插入物中混合共培養(yǎng)模型。（C）直接共培養(yǎng)模型。（D）3D共培養(yǎng)，其中嵌入水凝膠中的混合免疫細(xì)胞和成纖維細(xì)胞在半透性跨孔插入物中培養(yǎng)。（E）3D共培養(yǎng)，其中成纖維細(xì)胞嵌入水凝膠中，免疫細(xì)胞在頂部培養(yǎng)。（F）3D共培養(yǎng)的一種變體，其中免疫細(xì)胞在半透性transwell插入物內(nèi)培養(yǎng)，在該插入物下培養(yǎng)成纖維細(xì)胞嵌入的3D水凝膠。

該綜述梳理了大量以往關(guān)于免疫細(xì)胞和成纖維細(xì)胞相互作用的證據(jù)，這些研究通過共培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，證明了免疫細(xì)胞-成纖維細(xì)胞串?dāng)_在哮喘性慢性氣道炎癥中的重要性。成纖維細(xì)胞-嗜酸性粒細(xì)胞、肥大細(xì)胞和T 細(xì)胞相互作用的一個(gè)令人驚訝的共同主題是，這些相互作用主要導(dǎo)致 IL-8 和 IL-6 炎癥，這對中性粒細(xì)胞募集和趨化性是很重要的。這是一個(gè)重要的發(fā)現(xiàn)，似乎模糊了嗜酸性粒細(xì)胞/過敏性哮喘和中性粒細(xì)胞/非過敏性哮喘之間的界限。這是因?yàn)橥ㄟ^串?dāng)_研究，很明顯，即使在過敏性哮喘期間，嗜酸性粒細(xì)胞、肥大細(xì)胞和 T 細(xì)胞等細(xì)胞與成纖維細(xì)胞之間的相互作用似乎也會導(dǎo)致中性粒細(xì)胞炎癥。這些發(fā)現(xiàn)在簡單的2D培養(yǎng)或動物模型研究中并不明顯。由于IL-6和IL-8（從嗜酸性粒細(xì)胞，肥大細(xì)胞和T細(xì)胞-成纖維細(xì)胞串?dāng)_中釋放）是關(guān)鍵的中性粒細(xì)胞趨化因子和激活因子，因此在體外進(jìn)一步評估中性粒細(xì)胞和成纖維細(xì)胞之間的相互作用將是有益的。目前缺乏評估哮喘發(fā)病機(jī)制中中性粒細(xì)胞-成纖維細(xì)胞相互作用的研究，這可能是由于中性粒細(xì)胞培養(yǎng)和維持的固有困難，因?yàn)檫@些細(xì)胞需要從血液中新鮮分離以用于實(shí)驗(yàn)。盡管如此，中性粒細(xì)胞已成功與氣道上皮細(xì)胞共培養(yǎng)，以評估病原體誘導(dǎo)的氣道中跨上皮遷移。這些方法可能會在未來的研究中進(jìn)行調(diào)整，以評估哮喘發(fā)病機(jī)制中的成纖維細(xì)胞-中性粒細(xì)胞的串?dāng)_。

此外，氣道纖維化是哮喘的一個(gè)突出特征，主要是由于ECM蛋白沉積增加以及ECM降解和修復(fù)之間的不平衡。最近，成纖維細(xì)胞已被證明與免疫細(xì)胞相互作用，以增加ECM蛋白的產(chǎn)生和降解。該綜述中列舉的研究證明了成纖維細(xì)胞-免疫細(xì)胞相互作用對于纖維化的特定特征至關(guān)重要。嗜酸性粒細(xì)胞-成纖維細(xì)胞相互作用涉及TGF-β和MMPs的釋放，引起ECM合成并調(diào)節(jié)基質(zhì)周轉(zhuǎn)。此外，還發(fā)現(xiàn)TGF-β釋放對肥大細(xì)胞-成纖維細(xì)胞相互作用很重要，這些相互作用參與哮喘中過量的ECM產(chǎn)生（例如膠原蛋白-I）。
在這篇綜述中，研究人員對研究成纖維細(xì)胞-免疫細(xì)胞串?dāng)_對哮喘發(fā)病機(jī)制的貢獻(xiàn)進(jìn)行了公正的總結(jié)，特別強(qiáng)調(diào)氣道炎癥和纖維化。除了前面討論的各種體外共培養(yǎng)模型外，還有使用更先進(jìn)的生物模型的各種應(yīng)用，包括精確切割的肺切片，微流體肺芯片系統(tǒng)（LOAC）和3D肺生物打印模型，這些模型都正在建立以模擬肺部復(fù)雜的3D體內(nèi)環(huán)境，并允許研究兩種以上的細(xì)胞類型。這是因?yàn)�，添加更多的�?xì)胞，以及體內(nèi)環(huán)境的其他特征，可以進(jìn)一步使發(fā)現(xiàn)新的可能的藥物靶點(diǎn)成為可能。從所回顧的研究的基礎(chǔ)上，可能會提供新的治療靶點(diǎn)，集中在通過多細(xì)胞生物人工模型研究發(fā)現(xiàn)的介質(zhì)上，并可能為哮喘提供新的治療方法。

參考文獻(xiàn)：Thiam F, Yazeedi SA, Feng K, Phogat S, Demirsoy E, Brussow J, Abokor FA, Osei ET. Understanding fibroblast-immune cell interactions via co-culture models and their role in asthma pathogenesis. Front Immunol. 2023 Feb 23;14:1128023. doi: 10.3389/fimmu.2023.1128023. PMID: 36911735; PMCID: PMC9996007.
原文鏈接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/36911735/

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