Un equipo de investigadores de la Universidad de Duke ha desarrollado un modelo de pulmón vivo desarrollado en laboratorio que imita los diminutos sacos de aire de los pulmones donde se produce la infección por coronavirus y el daño pulmonar grave. Este avance les ha permitido ver la batalla entre el SARS-CoV-2 coronavirus y células pulmonares a la escala molecular más fina.
El virus daña los delicados sacos de aire en forma de globo, conocidos como alvéolos, lo que provoca neumonía y dificultad respiratoria aguda, la principal causa de muerte en pacientes con Covid-19. Pero los científicos se han visto obstaculizados en los estudios de Covid-19 por la falta dede modelos experimentales que imitan tejidos pulmonares humanos.
Ahora, un equipo dirigido por el biólogo celular de Duke Purushothama Rao Tata ha desarrollado un modelo que utiliza "organoides pulmonares", también denominados mini pulmones en un plato. Los organoides se cultivan a partir de células epiteliales alveolares tipo 2 AT2, que son lascélulas madre que reparan las partes más profundas de los pulmones donde ataca el SARS-CoV-2.
Investigaciones anteriores en Duke habían demostrado que solo una célula AT2, aislada en pequeños platos, podría multiplicarse para producir millones de células que se ensamblan en organoides en forma de globos que se parecen a los alvéolos. Sin embargo, la "sopa" en la que las célulasse cultivaron contenían ingredientes complejos como suero de vacas que no está completamente definido.
El grupo de Tata asumió el gran desafío de predecir y probar muchas combinaciones de factores químicamente puros que funcionarían igual de bien, un problema que requería una estrecha cooperación con el clúster de computación compartida de Duke.
El resultado es un organoide puramente humano sin células auxiliares. Los mini-pulmones cultivados en pozos diminutos permitirán una ciencia de alto rendimiento, en la que se pueden ejecutar cientos de experimentos simultáneamente para detectar nuevos candidatos a fármacos o identificar sustancias químicas de autodefensa producidas.por las células pulmonares en respuesta a una infección.
"Este es un sistema modelo versátil que nos permite estudiar no solo el SARS-CoV-2, sino también cualquier virus respiratorio que se dirija a estas células, incluida la influenza", dijo Tata. Un artículo que describe el desarrollo de los mini pulmones y algunosLos primeros experimentos con la infección por coronavirus aparecieron temprano en línea el 21 de octubre en la revista Célula madre celular .
Al usar mini-pulmones para estudiar la infección por SARS-CoV-2, el equipo de Tata colaboró con colegas de virología en Duke y la Universidad de Carolina del Norte en Chapel Hill. Para manejar de manera segura estos virus mortales, los investigadores utilizaron tecnología de puntainstalaciones de nivel de bioseguridad 3 en Duke y UNC-CH para infectar organoides pulmonares. Los investigadores observaron la actividad genética y las señales químicas que producen las células pulmonares después de la infección.
"Este es un gran avance para el campo porque estábamos usando células que no tenían cultivos purificados", dijo Ralph Baric, coautor del artículo y profesor distinguido de epidemiología, microbiología e inmunología en la UNC yautoridad mundial en coronavirus. Los mini-pulmones de Duke son 100 por ciento humanos sin células de soporte que puedan confundir los hallazgos. "Este es un trabajo increíblemente elegante para descubrir cómo purificar y hacer crecer las células AT2 en cultivo en forma pura", dijo Baric.
El laboratorio de Baric es capaz de cambiar cualquier nucleótido del código genético del virus Covid-19 a voluntad, por lo que produjo una versión brillante que revelaría a dónde fue en los mini pulmones, confirmando que efectivamente se encontró con el ACE2 crucial.receptor de superficie celular, que conduce a la infección.
Cuando se infectan con el virus, se demostró que los organoides lanzan una respuesta inflamatoria mediada por interferones. Los investigadores también han sido testigos de la tormenta de citocinas de moléculas inmunes que los pulmones lanzan en respuesta al virus.
"Se pensaba que la tormenta de citocinas se debía a la gran afluencia de células inmunitarias, pero podemos ver que también ocurre en las propias células madre pulmonares", dijo Tata.
El laboratorio de Tata descubrió que las células producían interferones y experimentaron una muerte celular autodestructiva, tal como lo han demostrado las muestras de pacientes con Covid-19. La señal del suicidio celular a veces también se desencadenaba en las células pulmonares vecinas no infectadas, ya que las células luchaban por obtenerLos investigadores también compararon los patrones de actividad genética entre los mini pulmones y las muestras de seis pacientes graves con Covid-19 y encontraron que estaban de acuerdo con una "sorprendente similitud".
"Solo hemos podido ver esto en autopsias hasta ahora", dijo Tata. "Ahora tenemos una manera de descubrir cómo energizar las células para luchar contra este virus mortal".
En otra serie de experimentos, los mini-pulmones tratados con dosis bajas de interferones antes de la infección pudieron ralentizar la copia viral. Pero suprimir la actividad del interferón antes de la infección condujo a un aumento de la replicación viral.
Tata, que es parte de la iniciativa de medicina regenerativa de Duke, Regeneration Next, dijo que su laboratorio estaba trabajando en el crecimiento de los mini pulmones a mediados de 2019 y había logrado un modelo de trabajo justo cuando surgió la pandemia de coronavirus. Dijo que su grupo serátrabajando con socios académicos y de la industria para usar estas células para terapias basadas en células y, finalmente, para tratar de desarrollar un pulmón completo para trasplante.
Baric dijo que su laboratorio probablemente usará los mini pulmones para comprender mejor una nueva cepa de SARS-CoV-2 llamada D614G que se ha convertido en la versión dominante del virus. Esta cepa, que surgió en Italia, tiene una proteína de picoque aparentemente es más eficiente para reconocer el receptor ACE2 en las células pulmonares, lo que lo hace aún más infeccioso.
Esta investigación se realizó con el apoyo de la Fundación Chan Zuckerberg, los Institutos Nacionales de Salud de EE. UU. UC6-AI058607, AI132178, AI149644, R00HL127181, R01HL146557, R01HL153375, R21GM1311279, F30HL143911, DK065988.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Duke . Original escrito por Karl Leif Bates. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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