Plămânii artificiali „crescuți” în laborator devin realitate: cum pot ajuta în lupta cu COVID-19

Micii plămâni artificiali crescuți într-un laborator de celule stem adulte au permis oamenilor de știință să urmărească modul în care Covid-19 infectează plămânii într-o nouă „descoperire majoră”.

Cercetătorii de la Universitatea Duke și Universitatea Cambridge au produs plămâni artificiali în două studii independente și separate pentru a examina răspândirea Covid-19. Modelele de „plămâni vii” minimizează micii saci de aer care preiau oxigenul pe care îl respirăm, cunoscut a fi locul în care au loc cele mai grave leziuni pulmonare cauzate de virusul letal.

Accesul la modelele de testare a răspândirii SARS-CoV-2, virusul responsabil pentru Covid-19, va permite cercetătorilor să testeze potențialele medicamente și să înțeleagă mai bine de ce unii oameni suferă de boală mai rău decât alții. Astfel, în ambele studii, modelele 3D mini-pulmonare au fost cultivate din celule stem care repară porțiunile cele mai profunde ale plămânilor atunci când atacă SARS-CoV-2 – cunoscut sub numele de celule alveolare.

Principalele țesuturi țintă ale SARS-CoV-2, în special la pacienții care dezvoltă pneumonie, par a fi alveolele, potrivit echipei Cambridge. Ei au extras celulele alveolelor din țesutul donat și le-au reprogramat înapoi la stadiul lor anterior de „celule stem” și le-au forțat să crească în structuri 3D auto-organizate asemănătoare alveolelor care imită comportamentul țesutului pulmonar cheie.

Dr. Joo-Hyeon Lee, co-autor principal al lucrării de la Cambridge, a spus că știm încă surprinzător de puțin despre modul în care SARS-CoV-2 infectează plămânii și provoacă boli. Abordarea le-a permis să crească modele 3D de țesut pulmonar cheie – într-un sens, „mini-plămâni” – în laborator și să studieze ce se întâmplă atunci când aceștia sunt infectați.

Care au fost rezultatele cercetărilor

Cercetătorii Duke au adoptat o abordare similară. Echipa, condusă de biologul Duke Purushothama Rao Tata, afirmă că modelul lor va permite efectuarea simultană a sutelor de experimente pentru depistarea noilor candidați la medicamente. Acesta este un sistem de model versatil care le permite să studieze nu numai SARS-CoV-2, ci orice virus respirator care vizează aceste celule, inclusiv gripa, a spus Tata.

Ambele echipe au infectat modele cu o tulpină de SARS-CoV-2 pentru a înțelege mai bine cine se răspândește virusul și ce se întâmplă în celulele pulmonare ca răspuns la boală. Echipa Cambridge a lucrat cu cercetători din Coreea de Sud pentru a preleva un eșantion de virus de la un pacient care a fost infectat în ianuarie după ce a călătorit la Wuhan.

Folosind o combinație de imagistică fluorescentă și analiză genetică cu celule unice, aceștia au putut studia modul în care celulele au răspuns la virus. Când modelele 3D au fost expuse la SARS-CoV-2, virusul a început să se replice rapid, ajungând la infecția celulară completă la doar șase ore după infectare.

Replicarea permite virusului să se răspândească în tot corpul, infectând alte celule și țesuturi, a explicat echipa de cercetare Cambridge. În același timp, celulele au început să producă interferoni – proteine ​​care acționează ca semnale de avertizare către celulele vecine, spunându-le să-și activeze apărarea.

După 48 de ore, interferonii au declanșat răspunsul imun înnăscut – prima sa linie de apărare – și celulele au început să lupte împotriva infecției. La 60 de ore după infecție, un subset de celule alveolare a început să se dezintegreze, ducând la moartea celulelor și la deteriorarea țesutului pulmonar.

Care este traseul Covid-19 în plămâni

Deși cercetătorii au observat modificări ale celulelor pulmonare în termen de trei zile de la infecție, simptomele clinice ale COVID-19 apar rar atât de repede și uneori pot dura mai mult de zece zile după apariția expunerii.

Echipa spune că există mai multe motive posibile pentru acest lucru. Poate dura câteva zile de la infiltrarea virusului în tractul respirator superior până la atingerea alveolelor. De asemenea, poate necesita o proporție substanțială de celule alveolare pentru a fi infectate înainte ca un pacient să prezinte simptome, a explicat co-autorul dr. Young Seok Ju de la Korea Advanced Institute of Science and Technology.

Dr. Young a spus că ar putea necesita, de asemenea, interacțiuni suplimentare cu celulele imune, rezultând inflamații înainte ca simptomele să fie vizibile. „Putem aborda multe întrebări cheie fără răspuns, cum ar fi înțelegerea susceptibilității genetice la SARS-CoV-2, evaluarea infectivității relative a mutanților virali și dezvăluirea proceselor de deteriorare a virusului în celulele alveolare umane”, a spus el.

Cel mai important, oferă oportunitatea de a dezvolta și de a analiza potențiali agenți terapeutici împotriva infecției cu SARS-CoV-2. „Sperăm să folosim tehnica noastră pentru a crește aceste modele 3D din celule ale pacienților care sunt deosebit de vulnerabili la infecții, cum ar fi persoanele în vârstă sau persoanele cu plămâni bolnavi, și să aflăm ce se întâmplă cu țesutul lor”, a adăugat dr. Lee.

Echipa Duke își va folosi modelul pulmonar 3D alături de alte tehnici, cum ar fi schimbarea după bunul plac a oricărui nucleotid al codului genetic al virusului Covid-19. Au reușit să-l adapteze pentru a produce o „versiune strălucitoare” a virusului, astfel încât acesta să dezvăluie exact traseul în modelul mini-pulmonar.