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Development of an innovative Airway-on-Chip microbiome cell culture model to investigate host-microbiome interactions at the airway epithelial surface

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Microbi polmonari in un modello di microprocessore chiariscono la battaglia ospite-microbiota nelle malattie respiratorie croniche

Studi recenti indicano che il microbiota delle vie respiratorie di pazienti affetti da asma e da broncopneumopatia cronica ostruttiva (BPCO) è molto diverso da quello di pazienti senza malattie respiratorie croniche.

Salute

Il problema che stanno affrontando gli scienziati e i professionisti sanitari è la mancanza di comprensione in merito all’eventualità e al modo secondo cui le modifiche nella composizione microbica polmonare contribuiscano alla suscettibilità alle infezioni respiratorie, così come alla progressione dell’asma e della BPCO. Modifiche nei polmoni di topi comportano l’infiammazione delle vie respiratorie e la perdita dell’attività polmonare, ma non è ancora chiaro cosa induca queste modifiche e come queste provochino una maggiore predisposizione alle infezioni e ai danni polmonari. L’esigenza di capire questa associazione è fondamentale dato che il trattamento attuale di pazienti asmatici e affetti da BPCO è limitato a una riduzione dei sintomi e alla prevenzione della progressione della malattia. Purtroppo, questo approccio è impedito da numerosi pazienti resistenti ai trattamenti a base di corticosteroidi.

Vie respiratorie su microprocessore alla riscossa

«I nostri obiettivi principali consistevano nello sviluppare un modello di microbiota umano di “Airway Lung-Chip” (microprocessore per le vie respiratorie polmonari) e nello studiare le interazioni ospite-microbiota nei polmoni», illustra Pieter Hiemstra, coordinatore del progetto EpiCBiome, finanziato dall’UE, e professore di biologia cellulare respiratoria e di immunologia presso il Medical Center dell’Università di Leiden. I ricercatori hanno concentrato la loro attenzione sul ruolo dei peptidi e delle proteine a difesa dell’ospite nel contesto dell’asma e della BPCO. I ricercatori di EpiCBiome hanno applicato con successo la tecnologia organo-microprocessore nel loro laboratorio e hanno ottimizzato il «Airway Lung-Chip» e il «Alveolus Lung-Chip» (microprocessore per l’alveolo polmonare) grazie all’utilizzo di cellule dal laboratorio di Hiemstra. La ricerca è stata intrapresa con il supporto del programma Marie Skłodowska-Curie. «È stato entusiasmante imparare a lavorare con il nostro partner della piattaforma organo-microprocessore di Emulate», ricorda Hiemstra. «Ed è stata molto importante la formazione sul campo presso Emulate della borsista Anne van der Does». Inoltre, durante il periodo del contributo finanziario il gruppo ha ottimizzato un sistema più semplificato di co-coltura del microbiota epiteliale polmonare di Transwell. Il gruppo ha inoltre studiato come rimodellare l’epitelio delle vie respiratorie che colpisce la carica microbica di una miscela microbica complessa.

Questioni poste dai microbi

«Il problema più grande che abbiamo dovuto superare è stato ottenere una miscela microbica complessa tipica di un microbiota stabile che potessimo applicare alle colture cellulari», spiega Hiemstra. Questa difficoltà è rimasta un limite durante il progetto e nel laboratorio è ancora in corso uno studio per migliorarla. Un altro problema è che i numeri del microbiota nei polmoni sono molto bassi e il tentativo di riprodurre in vitro quel livello comporta delle difficoltà per display affidabili. «Come conseguenza, nel progetto ci siamo concentrati più sulla risposta epiteliale che sulla composizione del microbiota», sintetizza Hiemstra. La sfida finale è stata trasferire il modello di «Airway Lung-Chip» al laboratorio neerlandese e ottimizzare le condizioni delle colture cellulari per garantire l’affidabilità e la stabilità del modello, che ha impiegato più tempo del previsto.

Il futuro per applicazioni di vie respiratorie su microprocessore

Il gruppo di ricerca continuerà a inserire microbi nelle colture, in particolare nel microprocessore dato che lo studio non è stato ancora esteso fino a quel punto. Questo si ricollega all’intenzione di ampliare le analisi per includere il cancro ai polmoni. «Gli esperimenti con i Transwell ci hanno fornito indizi preziosi su come la rimodellazione possa influire sul microbiota polmonare e ciò sarà il principale obiettivo della nostra prossima ricerca». Anne van der Does si è affermata nel reparto come una scienziata indipendente e ha recentemente ottenuto le prime sovvenzioni principali che sono basate sull’introduzione del modello di «Airway Lung-Chip» nel laboratorio di Hiemstra. Il coordinatore sintetizza il valore dello studio: «Il progetto è stato determinante nello sviluppo professionale di van der Does e ha portato anche all’introduzione di un metodo di grande valore nel nostro laboratorio».

Parole chiave

EpiCBiome, polmone, microprocessore, microbioma, microbiota, BPCO, coltura, malattia respiratoria

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