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Human Lung Chip révèle les effets des mouvements respiratoires sur les réponses immunitaires pulmonaires

La personne moyenne prendra plus de 600 thousands and thousands de respirations au cours de sa vie. Chaque respiration étire les tissus des poumons à chaque inspiration et les détend à chaque expiration. Les simples mouvements respiratoires sont connus pour influencer les fonctions vitales des poumons, y compris leur développement chez les bébés, la creation de fluide améliorant les échanges d’air sur leurs surfaces internes et le maintien d’une structure tissulaire saine. Maintenant, une nouvelle recherche de l’Institut Wyss de l’Université de Harvard a révélé que ce schéma continuous d’étirement et de rest fait encore moreover : il génère des réponses immunitaires contre les virus envahisseurs.

À l’aide d’une puce pulmonaire humaine qui reproduit les structures et les fonctions du sac alvéolaire pulmonaire, ou “alvéole”, l’équipe de recherche a découvert que l’application de forces mécaniques qui imitent les mouvements respiratoires supprime la réplication du virus de la grippe en activant les réponses immunitaires innées protectrices. Ils ont également identifié plusieurs médicaments qui réduisaient la generation de cytokines inflammatoires dans les puces d’alvéoles infectées, ce qui pourrait être utile dans le traitement d’une irritation too much des poumons. Sur la foundation de ces études, l’un de ces médicaments a été autorisé à Cantex Prescribed drugs pour le traitement du COVID-19 et d’autres maladies pulmonaires inflammatoires. Les données de la recherche ont récemment été incluses dans la demande d’Investigational New Drug (IND) de la société auprès de la Fda pour lancer un essai clinique de phase 2 pour le COVID-19.

“Cette recherche démontre l’importance des mouvements respiratoires pour la fonction pulmonaire humaine, y compris les réponses immunitaires à l’infection, et montre que notre puce d’alvéole humaine peut être utilisée pour modéliser ces réponses dans les functions profondes du poumon, où les infections sont souvent additionally graves et conduisent à l’hospitalisation et à la mort », a déclaré le co-premier auteur Haiqing Bai, Ph.D. un Wyss Technology Development Fellow à l’Institut. “Ce modèle peut également être utilisé pour les assessments précliniques de médicaments afin de garantir que les médicaments candidats réduisent réellement l’infection et l’inflammation dans les tissus pulmonaires humains fonctionnels.” Les résultats sont publiés aujourd’hui dans Character Communications.

Créer une grippe sur puce

Comme les premières phases de la pandémie de COVID-19 l’ont rendu douloureusement clair, le poumon est un organe vulnérable où l’inflammation en réponse à l’infection peut générer une “tempête de cytokines” qui peut avoir des conséquences mortelles. Cependant, les poumons sont également très complexes et il est difficile de reproduire leurs caractéristiques uniques en laboratoire. Cette complexité a entravé la compréhension scientifique du fonctionnement des poumons au niveau des cellules et des tissus, dans les états sains et malades.

Les puces d’organes humains de l’Institut Wyss ont été développées pour résoudre ce problème, et il a été démontré qu’elles reproduisent fidèlement les fonctions de nombreux organes humains différents en laboratoire, y compris les poumons. Dans le cadre de projets financés par le NIH et la DARPA depuis 2017, les chercheurs de Wyss ont travaillé sur la réplication de diverses maladies dans les puces des voies respiratoires pulmonaires et des alvéoles pour étudier remark les tissus pulmonaires réagissent aux virus respiratoires à potentiel pandémique et tester des traitements potentiels.

Au cours de son doctorat. Au cours de sa formation, Bai a étudié les maladies qui affectent les minuscules sacs aériens profondément à l’intérieur des poumons, où l’oxygène est rapidement échangé contre du dioxyde de carbone. Cette fondation l’a préparé à relever le défi de recréer une infection grippale dans une puce Alveolus afin que l’équipe puisse étudier remark ces espaces pulmonaires profonds déclenchent des réponses immunitaires contre les envahisseurs viraux.

Bai et son équipe ont d’abord tapissé les deux canaux microfluidiques parallèles d’une puce d’organe avec différents kinds de cellules humaines vivantes – des cellules pulmonaires alvéolaires dans le canal supérieur et des cellules des vaisseaux sanguins pulmonaires dans le canal inférieur – pour recréer l’interface entre les sacs aériens humains. et leurs capillaires sanguins. Pour imiter les situations que connaissent les alvéoles dans le poumon humain, le canal bordé de cellules alvéolaires a été rempli d’air tandis que le canal des vaisseaux sanguins a été perfusé avec un milieu de society fluide contenant des nutriments qui sont normalement délivrés par le sang. Les canaux étaient séparés par une membrane poreuse qui permettait aux molécules de circuler entre eux.

Des études antérieures à l’Institut Wyss ont établi que l’application d’étirements cycliques aux Alveolus Chips pour imiter les mouvements respiratoires produit des réponses biologiques qui imitent celles observées in vivo. Ceci est accompli en appliquant une aspiration aux chambres latérales creuses adjacentes aux canaux fluidiques tapissés de cellules pour étirer et détendre rythmiquement les tissus pulmonaires de 5%, ce que les poumons humains ressentent généralement à chaque respiration.

Lorsque l’équipe a infecté ces puces d’alvéoles “respirantes” avec la grippe H3N2 en introduisant le virus dans le canal d’air, ils ont observé le développement de plusieurs caractéristiques connues de l’infection grippale, y compris la rupture des jonctions entre les cellules, une augmentation de 25 % de la mort cellulaire, et l’initiation de programmes de réparation cellulaire. L’infection a également entraîné des niveaux beaucoup additionally élevés de multiples cytokines inflammatoires dans le canal des vaisseaux sanguins, y compris l’interféron de style III (IFN-III), une défense naturelle contre l’infection virale qui est également activée dans les études in vivo sur l’infection grippale.

De in addition, les cellules des vaisseaux sanguins des puces infectées ont exprimé des niveaux furthermore élevés de molécules d’adhésion, ce qui a permis aux cellules immunitaires, y compris les cellules B, les cellules T et les monocytes dans le milieu de perfusion, de se fixer aux parois des vaisseaux sanguins pour aider à combattre l’infection. Ces résultats ont confirmé que la puce Alveolus développait une réponse immunitaire contre le H3N2 qui récapitulait ce qui se passe dans les poumons de individuals humains infectés par le virus de la grippe.

Concentrez-vous sur votre respiration

L’équipe a ensuite réalisé la même expérience sans mouvements respiratoires mécaniques. À leur grande surprise, les puces exposées aux mouvements respiratoires avaient 50 % d’ARNm viral en moins dans leurs canaux alvéolaires et une réduction significative des niveaux de cytokines inflammatoires par rapport aux puces statiques. L’analyse génétique a révélé que la souche mécanique avait activé des voies moléculaires liées à la défense immunitaire et de multiples gènes antiviraux, et ces activations ont été inversées lorsque l’étirement cyclique a été arrêté.

“C’était notre découverte la moreover inattendue – que les contraintes mécaniques seules peuvent générer une réponse immunitaire innée dans les poumons”, a déclaré le co-premier auteur Longlong Si, Ph.D. ancien boursier en développement technologique Wyss qui est maintenant professeur au Institut de technologie avancée de Shenzhen en Chine.

Sachant que parfois les poumons subissent une contrainte supérieure à 5 %, comme dans le cas d’une maladie pulmonaire obstructive chronique (MPOC) ou lorsque les people sont mis sous ventilateurs mécaniques, les scientifiques ont augmenté la contrainte à 10 % pour voir ce qui se passerait. La souche in addition élevée a provoqué une augmentation des gènes et des processus de réponse immunitaire innée, y compris plusieurs cytokines inflammatoires.

“Parce que le niveau de stress in addition élevé a entraîné une in addition grande manufacturing de cytokines, cela pourrait expliquer pourquoi les patients atteints de maladies pulmonaires comme la MPOC souffrent d’inflammation chronique et pourquoi les clients qui sont mis sous ventilateurs à haut volume subissent parfois des lésions pulmonaires induites par le ventilateur”, a expliqué Si.

De la puce aux essais cliniques

Les scientifiques sont ensuite allés moreover loin en comparant les molécules d’ARN présentes dans les cellules des puces d’alvéole tendues et statiques pour voir s’ils pouvaient déterminer remark les mouvements respiratoires généraient une réponse immunitaire. Ils ont identifié une protéine liant le calcium, appelée S100A7, qui n’était pas détectée dans les puces statiques mais fortement exprimée dans les puces contraintes, suggérant que sa manufacturing était induite par un étirement mécanique. Ils ont également découvert qu’une expression accrue de S100A7 régulait à la hausse de nombreux autres gènes impliqués dans la réponse immunitaire innée, y compris de multiples cytokines inflammatoires.

S100A7 est l’une des nombreuses molécules apparentées connues pour se lier à une protéine sur les membranes cellulaires appelée le récepteur des produits finaux de glycation avancée (RAGE). RAGE est furthermore fortement exprimé dans les poumons que dans tout autre organe du corps humain et a été impliqué comme médiateur inflammatoire majeur dans plusieurs maladies pulmonaires. Le médicament azéliragon est un inhibiteur connu de RAGE, de sorte que les scientifiques ont perfusé de l’azéliragon à travers le canal des vaisseaux sanguins des puces d’alvéole tendues pendant 48 heures, puis ont infecté les puces avec le virus H3N2. Ce prétraitement a empêché la réponse semblable à une tempête de cytokines qu’ils avaient observée dans les puces non traitées.

Sur la foundation de ce résultat prometteur, l’équipe a ensuite infecté des puces d’alvéoles souches avec H3N2 et a administré de l’azéliragon à sa dose thérapeutique deux heures après l’infection. Cette approche a bloqué de manière significative la output de cytokines inflammatoires – un effet qui a été encore renforcé lorsqu’ils ont ajouté le médicament antiviral molnupiravir (qui a été récemment approuvé pour les sufferers atteints de COVID-19) au schéma thérapeutique.

Ces résultats ont attiré l’attention de Cantex Prescribed drugs, qui détient les droits de brevet sur l’azéliragon et souhaitait l’utiliser pour traiter les maladies inflammatoires. Sur la base en partie des travaux de l’équipe Wyss sur Alveolus Chips, Cantex a autorisé l’azéliragon pour le traitement du COVID-19 et d’autres maladies pulmonaires inflammatoires au début de 2022. Compte tenu de l’excellent bilan de sécurité du médicament lors des précédents essais cliniques de period 3, la société a demandé à la Fda l’approbation pour démarrer un essai de section 2 chez des sufferers atteints de COVID-19, et prévoit de suivre avec des essais de period 2 supplémentaires pour d’autres maladies, notamment la MPOC et l’asthme résistant aux stéroïdes.

“Grâce à l’excellent travail des scientifiques de l’Institut Wyss, nous avons maintenant des preuves convaincantes que l’azéliragon peut avoir le potentiel de prévenir les maladies graves liées au COVID-19 sous la forme d’une pilule à prendre une fois par jour. Nous sommes ravis d’avoir l’occasion de mener des essais cliniques sur l’azéliragon pour cette maladie, afin d’apporter cette thérapie révolutionnaire aux individuals pour prévenir l’inflammation potentiellement mortelle qui est une cause majeure d’hospitalisation et de décès », a déclaré Stephen Marcus, MD, PDG de Cantex.

Bien que l’azéliragon soit un médicament anti-inflammatoire prometteur, les scientifiques avertissent que davantage d’études sont nécessaires pour déterminer un schéma thérapeutique sûr et efficace chez l’homme. RAGE est un acteur essentiel dans l’initiation d’une swelling bénéfique contre les agents pathogènes dans les premiers stades d’une infection, et l’inhiber trop tôt pourrait empêcher un affected individual de développer une réponse immunitaire suffisante.

Compte tenu des nombreux avantages de la puce Alveolus par rapport aux modèles précliniques traditionnels, l’équipe Wyss discover l’incorporation de types de cellules supplémentaires tels que les macrophages dans les puces pour augmenter leur complexité et modéliser davantage de processus biologiques, tels que l’immunité adaptative. Ils utilisent également leur modèle existant pour étudier l’efficacité de nouveaux composés, médicaments et produits biologiques (tels que les brokers thérapeutiques à base d’ARNm) contre la grippe, le SRAS-CoV-2 et d’autres maladies.

“Cet write-up vital a conduit à la découverte de la promesse des inhibiteurs de RAGE pour le traitement des maladies pulmonaires inflammatoires, qui a été à la base de la récente licence d’azéliragon à Cantex et de son mouvement vers des essais cliniques humains pour COVID-19. Je suis extrêmement fier de cette équipe et la rapidité avec laquelle cette découverte scientifique a été traduite en commercialisation qui, espérons-le, conduira à un traitement salvateur pour les sufferers. Directeur ainsi que professeur Judah Folkman de biologie vasculaire à la Harvard Health-related College (HMS) et au Boston Kid’s Medical center, et professeur Hansjörg Wyss d’ingénierie bioinspirée à la Harvard John A. Paulson College of Engineering and Utilized Sciences.

Les autres auteurs de l’étude incluent Amanda Jiang, Chaitra Belgur, MS, Yunhao Zhai, Ph.D. Melissa Rodas et Aditya Patil et Girija Goyal, Ph.D. du Wyss Institute, et d’anciens membres du Wyss Institute Roberto Plebani, Ph.D. Crystal Oh, Atiq Nurani, MS, Sarah Gilpin, Ph.D. Rani Powers, Ph.D. et Rachelle Prantil-Baun, Ph.D.

Cette recherche a été soutenue par le Wyss Institute for Biologically Motivated Engineering de l’Université de Harvard, la US Protection Innovative Analysis Jobs Agency (DARPA) dans le cadre de l’accord de coopération HR0011-20-2-0040 et les National Institutes of Wellness dans le cadre de subventions UG3-HL-141797. et UH3-HL-141797.