In vitro -keuhkomallialustojen rakenne ja käyttö COVID-19:n ja muiden tautien tutkimisessa

Tiivistelmä. Hengityselimistöllä on monia eri tehtäviä ihmisen elimistössä, mutta sen päätarkoitus on tuoda happea ulkoilmasta kudoksiin ja viedä hiilidioksidia ulos. Hengityselimistö koostuu ylä- ja alahengitysteistä. Ylähengitysteihin lukeutuvat rakenteet nenästä äänihuuliin, ja alahengitysteihin henkitorvi ja keuhkoputket. Hengityselimistön sairauksia ovat esimerkiksi erilaiset virusinfektiot, astma, keuhkopöhö, keuhkoahtaumatauti sekä syöpä. Virusten aiheuttamat infektiot voivat aiheuttaa eri tasoisia sairauksia. Ne vaihtelevat lievistä ylähengitysteiden infektioista vakaviin alahengitysteiden sairauksiin, kuten keuhkokuumeeseen. SARS-CoV-2 viruksen aiheuttama COVID-19 tauti on aiheuttanut maailmanlaajuisen pandemian. Tauti ilmenee ensin infektiona ylähengitysteissä ja vakavissa tapauksissa se voi edetä alahengitysteihin ja alveoleihin. Keuhkomallialustoilla voidaan mallintaa keuhkojen toimintaa ja tutkia keuhkojen sairauksia. Keuhkomallialusta rakentuu mikrosiruista ja mikrofluidiikasta. Mikrofluidiikkaa hyödyntämällä voidaan hallita erittäin pieniä nestetilavuuksia, lämpötilaa, virtausnopeuksia, gradientteja ja kudosspesifisiä parametrejä. Alveolin ja hiussuonen rajapintaa mallintava keuhkomallialusta koostuu neljän lokeron kokonaisuudesta. Lokerot ovat alveolikanava, hiussuonikanava sekä kaksi kanavaa, joihin kohdistetaan imua. Mallissa käytetään PDMS-kalvoa, joka päällystetään soluväliaineella (fibronektiinillä tai kollageenilla) erottamaan alveoli- ja kapillaarikanava toisistaan. Kalvon alveolipuolelle viljellään ihmisen alveolien epiteelisoluja ja kapillaarikanavan puolelle ihmisen hiussuonen endoteelisoluja. Ilman ja nesteen rajapinta (ALI) muodostettiin päästämällä ilmaa alveolikanavan puolelle. Rakenteensa ansiosta mallilla voidaan imitoida hengityksen aiheuttamaa liikettä alveolin ja kapillaarin rajapinnassa. Sivukanaviin kohdistetaan imua, jolloin alveoli- ja kapillaarikanavan välinen kalvo venyy, kuten tapahtuu oikeissakin alveoleissa. Hengitysteitä mallintava keuhkomallialusta koostuu kolmesta kerroksesta, jotka ovat elatusainesäiliö, PET-kalvo ja PDMS:tä tehdyt hengitystiet. Hengitystiemallissa on kolme symmetrisesti jakautuvaa kanavaa. Tällaisella keuhkomallialustalla voidaan simuloida keuhkojen altistumista pienhiukkasille ALI olosuhteissa. Eläimiä käytetään tautien tutkimiseen ja lääkkeiden kehittämiseen, mikä on kallista ja aikaa vievää. Ihmisen ja eläimen fysiologiset ominaisuudet eroavat toisistaan, minkä vuoksi eläimillä tehtyjen kokeiden tulokset ovat vaihtelevia. Eläimillä saadut lupaavat tulokset eivät takaa samanlaisia tuloksia ihmisillä. Keuhkomallialustoilla on tutkittu monia eri keuhkosairauksia. Keuhkopöhön tutkimisessa keuhkomallialustalla mallinnettiin lääketoksisuuden aiheuttamaa keuhkopöhöä syöttämällä alustalle IL-2:ta sekä hoitoina angiopoietiini-1:tä sekä TRPV4-ionikanavien salpaajaa. Tutkimuksessa havaittiin IL-2:n aiheuttavan nesteen vuotamisen alveolikanavan puolelle. Angiopoietiini-1 esti nesteen valumisen alveolikanavaan, ja TRPV4 lääke esti hiussuonten läpäisevyyden nousun, jonka IL-2 ja syklinen mekaaninen rasitus aiheuttivat. Ei-pienisoluista adenokarsinooma keuhkosyöpää tutkittiin keuhkomallialustalla ja havaittiin, että syöpäsolut ilmentävät samanlaista kasvaimen kasvua, hyökkäämistä ja hoitovasteita, joita on havaittu potilaillakin. Mallinnuksessa havaittiin myös, että alveolialustalla hengitysliikkeillä on syöpäsolujen kasvuun suuri merkitys. Ilman hengitysliikkeitä solut kasvoivat ja levisivät isommalle alueelle, kuin hengitysliikkeiden aikana. Keuhkoveritulpan muodostumista mallinnettiin keuhkomallialustalla, jota oli muokattu niin, että verta voitiin lisätä kapillaarikanavaan elatusaineen sijaan. Myös alveolikanavaan viljeltiin kasvaimen solujen sijaan ihmisen primaarisia epiteelisoluja. Endoteeliä stimuloitiin tulehduksellisella sytokiinilla TNF- α:lla, ennen kuin verta syötettiin kanavaan, mikä edisti nopeaa verihiutaleiden kasaantumista ja tukoksen muodostumista. Interleukiini-13 (IL-13) on sytokiini, jolla on huomattava merkitys astmassa. Keuhkomallialustalle syötettiin IL-13:ta ja havaittiin pikarisolujen määrän kasvua, sytokiinien G-CSF ja GM-CSF tuotannon ja erityksen kasvua sekä värekarvasolujen liikefrekvenssin pienenemistä, jotka ovat samankaltaisia havaintoja, joita astmaa sairastavilla potilailla tehdään. Keuhkoahtaumataudin (COPD) mallinnuksessa käytettiin terveeltä potilaalta saatuja soluja sekä COPD:tä sairastavalta potilaalta saatuja alahengitystien epiteelisoluja. Soluja stimuloitiin lipopolysakkaridi endotoksiinilla tai Poly I:C:llä, jolloin COPD mallissa havaittiin suurempaa sytokiinien M-CSF ja interleukiini-8:n eritystä kuin terveitä soluja sisältävässä mallissa. Tulokset heijastavat COPD potilailla tehtyjä havaintoja. Keuhkomallialusta sopii hengitysteiden tartuntatautien, kuten SARS-CoV-2:sen tutkimiseen hyvin, koska suoria kokeellisia havaintoja on haastava tehdä alveolien suuren pinta-alan vuoksi. Verisuonikanava, jossa ylläpidetään virtausta ja jossa infektio voi tapahtua ilman ja nesteen rajapinnassa, mahdollistaa SARS-CoV-2:n alveolien patogeenisuuden tutkimisen. Eräässä tutkimuksessa havaittiin infektion vaikuttavan viruksen pääsyyn solun sisään muuttamalla siihen vaikuttavien tekijöiden ilmentymistä. Virus pääsee tunkeutumaan solun sisään ACE2 (angiotensiinikonvertaasi 2) solukalvoreseptorin kautta, ja infektio aiheutti ACE2:n ekspression vähenemisen. Neuropiliini 1 (NRP1) on integriinejä sitova proteiini, jota esiintyy erityisesti hiussuonten soluissa ja infektio vaikuttikin NRP1 reseptoreiden ekspressioon vähentävästi. Infektio lisäsi TMPRSS2 proteaasin ekspressiota. TMPRSS2 pilkkoo viruksen piikkiproteiineja, mikä mahdollistaa viruksen sulautumisen solun solukalvoon ja pääsyn solun sisään. Infektiolla havaittiin myös olevan vaikutusta solujen morfologiaan. Myös lääkkeillä kuten tosilitsumabilla ja remdesivirillä on havaittu olevan vaikutusta COVID-19 taudin hoidossa. Kudosmallialustoilla uusien lääkkeiden kehitykseen ja seulontaan on saatu vakautta ja joustavuutta. Pluripotentteja kantasoluja hyödynnetään personoitujen kudos- ja elinmallien kehityksessä. Useita kudosmallialustoja yhdistävä malli on havaittu olevan hyvä työkalu lääkkeiden tehokkuuden ja turvallisuuden ennustamisessa