Ottobre 23, 2020 0

Coronavirus: I “mini-polmoni” artificiali coltivati ​​in laboratorio consentono agli scienziati di osservare come il coronavirus infetta le cellule umane

Coronavirus: I “mini-polmoni” artificiali coltivati ​​in laboratorio consentono agli scienziati di osservare come il coronavirus infetta le cellule umane

Minuscoli polmoni artificiali cresciuti in un laboratorio da cellule staminali adulte hanno permesso agli scienziati di osservare come il coronavirus infetta i polmoni in una nuova “importante svolta”.

I ricercatori della Duke University e della Cambridge University hanno prodotto polmoni artificiali in due studi indipendenti e separati per esaminare la diffusione del Covid-19.

I modelli del “polmone vivo” riducono al minimo le minuscole sacche d’aria che assorbono l’ossigeno che respiriamo, noto per essere il luogo in cui si verificano i più gravi danni polmonari causati dal virus mortale.

Avere accesso ai modelli per testare la diffusione di SAS-CoV-2, il virus responsabile del Covid-19, consentirà ai ricercatori di testare potenziali farmaci e comprendere meglio perché alcune persone soffrono della malattia peggio di altre.

Una singola cellula staminale polmonare si è copiata per generare migliaia di cellule e generare una struttura simile a una bolla che assomiglia ai tessuti respiratori del polmone umano dai ricercatori Duke

In entrambi gli studi i modelli 3D min-lung sono stati coltivati ​​da cellule staminali che riparano le parti più profonde dei polmoni quando SARS-CoV-2 attacca, note come cellule alveolari.

Ad oggi, ci sono stati più di 40 milioni di casi di COVID-19 e quasi 1,13 milioni di decessi in tutto il mondo.

I principali tessuti bersaglio di SARS-CoV-2, specialmente nei pazienti che sviluppano polmonite, sembrano essere gli alveoli, secondo il team di Cambridge.

Hanno estratto le cellule alveolari dal tessuto donato e le hanno riprogrammate al loro precedente stadio di “cellule staminali” e le hanno costrette a crescere in strutture 3D simili ad alveolari auto-organizzate che imitano il comportamento del tessuto polmonare chiave.

Il dottor Joo-Hyeon Lee, co-autore senior dell’articolo di Cambridge, ha detto che sappiamo ancora sorprendentemente poco su come SARS-CoV-2 infetti i polmoni e causi malattie.

Immagine rappresentativa di un organoide alveolare polmonare umano tridimensionale prodotto dai ricercatori di Cambridge e coreani per comprendere meglio SARS-CoV-2

Immagine rappresentativa di un organoide alveolare polmonare umano tridimensionale prodotto dai ricercatori di Cambridge e coreani per comprendere meglio SARS-CoV-2

“Il nostro approccio ci ha permesso di sviluppare modelli 3D del tessuto polmonare chiave – in un certo senso,” mini-polmoni “- in laboratorio e di studiare cosa succede quando vengono infettati.”

I ricercatori di Duke hanno adottato un approccio simile. Il team, guidato dal biologo cellulare Duke Purushothama Rao Tata, afferma che il loro modello consentirà l’esecuzione simultanea di centinaia di esperimenti per lo screening di nuovi farmaci candidati.

“Si tratta di un sistema modello versatile che ci consente di studiare non solo SARS-CoV-2, ma qualsiasi virus respiratorio che prende di mira queste cellule, compresa l’influenza”, ha detto Tata.

Entrambe le squadre hanno infettato i modelli con un ceppo di SARS-CoV-2 per capire meglio chi si diffonde il virus e cosa succede nelle cellule polmonari in risposta alla malattia.

Il team di Cambridge ha lavorato con ricercatori della Corea del Sud per prelevare un campione del virus da un paziente che era stato infettato a gennaio dopo essere stato a Wuhan.

Utilizzando una combinazione di imaging a fluorescenza e analisi genetica di singole cellule, sono stati in grado di studiare come le cellule rispondevano al virus.

Quando i modelli 3D sono stati esposti a SARS-CoV-2, il virus ha iniziato a replicarsi rapidamente, raggiungendo la piena infezione cellulare solo sei ore dopo l’infezione.

La replica consente al virus di diffondersi in tutto il corpo, infettando altre cellule e tessuti, ha spiegato il team di ricerca di Cambridge.

Più o meno nello stesso periodo, le cellule hanno iniziato a produrre interferoni, proteine ​​che agiscono come segnali di avvertimento per le cellule vicine, dicendo loro di attivare le loro difese.

Dopo 48 ore, gli interferoni hanno attivato la risposta immunitaria innata – la sua prima linea di difesa – e le cellule hanno iniziato a combattere contro le infezioni.

Sessanta ore dopo l’infezione, un sottoinsieme di cellule alveolari ha iniziato a disintegrarsi, portando alla morte cellulare e al danneggiamento del tessuto polmonare.

I ricercatori sperano che comprendendo meglio come SARS-CoV-2 infetta i polmoni attraverso i loro mini-modelli, possano trattare i pazienti con i peggiori sintomi della malattia Covid-19

I ricercatori sperano che comprendendo meglio come SARS-CoV-2 infetta i polmoni attraverso i loro mini-modelli, possano trattare i pazienti con i peggiori sintomi della malattia Covid-19

Sebbene i ricercatori abbiano osservato cambiamenti nelle cellule polmonari entro tre giorni dall’infezione, i sintomi clinici di COVID-19 si verificano raramente così rapidamente e talvolta possono essere necessari più di dieci giorni dopo l’esposizione.

Il team afferma che ci sono diverse possibili ragioni per questo. Potrebbero essere necessari diversi giorni dal virus che si infiltra per la prima volta nel tratto respiratorio superiore fino a raggiungere gli alveoli.

I RICERCATORI FANNO CRESCERE UN ‘MINI LUNG’ IN LABORATORIO PER STUDIARE COVID-19

Gli scienziati di Cambridge e coreani volevano capire meglio come SARS-CoV-2 infetta i polmoni e provoca malattie.

Per fare questo si sono rivolti agli organoidi, “mini organi” cresciuti in tre dimensioni per imitare il comportamento di tessuti e organi.

Il team ha utilizzato il tessuto donato alle banche dei tessuti per estrarre un tipo di cellula polmonare nota come polmone umano alveolare di tipo 2.

Riprogrammando queste cellule al loro precedente stadio di “cellule staminali”, sono state in grado di far crescere strutture 3D simili ad alveolari auto-organizzate che imitano il comportamento del tessuto polmonare chiave.

Un progetto simile utilizzando lo stesso processo è stato condotto da un team della Duke University negli Stati Uniti.

Il team di Duke ha sviluppato un modello usando “organoidi polmonari”, soprannominati anche mini-polmoni in un piatto.

Gli organoidi sono cresciuti da cellule epiteliali alveolari di tipo 2 (AT2) che sono le cellule staminali che riparano le parti più profonde dei polmoni dove attacca SARS-CoV-2.

In entrambi gli studi, pubblicati su Cell Stem Cells, il risultato è un organoide puramente umano senza cellule helper.

I mini-polmoni coltivati ​​in minuscoli pozzi consentiranno una scienza ad alto rendimento, in cui centinaia di esperimenti possono essere eseguiti simultaneamente.

Questi possono essere utilizzati per lo screening di nuovi farmaci candidati o per identificare le sostanze chimiche di autodifesa prodotte dalle cellule polmonari in risposta all’infezione.

Potrebbe anche richiedere che una proporzione sostanziale di cellule alveolari venga infettata prima che un paziente mostri i sintomi, ha spiegato il coautore del dottor Young Seok Ju del Korea Advanced Institute of Science and Technology.

Il dottor Young ha detto che potrebbe anche richiedere ulteriori interazioni con le cellule immunitarie con conseguente infiammazione prima che i sintomi siano visibili.

“Siamo in grado di affrontare molte domande chiave senza risposta, come la comprensione della suscettibilità genetica alla SARS-CoV-2, la valutazione dell’infettività relativa dei mutanti virali e la rivelazione dei processi di danneggiamento del virus nelle cellule alveolari umane”, ha detto.

“Soprattutto, offre l’opportunità di sviluppare e schermare potenziali agenti terapeutici contro l’infezione da SARS-CoV-2.”

“Speriamo di utilizzare la nostra tecnica per far crescere questi modelli 3D da cellule di pazienti particolarmente vulnerabili alle infezioni, come gli anziani o le persone con polmoni malati, e scoprire cosa succede ai loro tessuti”, ha aggiunto il dott. Lee.

Il team di Duke utilizzerà il proprio modello polmonare 3D insieme ad altre tecniche, come la modifica a piacimento di qualsiasi nucleotide del codice genetico del virus Covid-19.

Sono stati in grado di adattarlo per produrre una “versione brillante” del virus in modo che rivelasse esattamente dove si trovava nel modello mini-polmone.

Come i ricercatori di Cambridge, il team di Duke ha scoperto che quando infettati dal virus, gli organoidi hanno mostrato di lanciare una risposta infiammatoria mediata dagli interferoni.

I ricercatori hanno anche assistito alla tempesta di citochine di molecole immunitarie che i polmoni lanciano in risposta al virus.

“Si pensava che la tempesta di citochine fosse avvenuta a causa del grande afflusso di cellule immunitarie, ma possiamo vedere che accade anche nelle stesse cellule staminali polmonari”, ha detto Tata.

I ricercatori di Duke hanno anche confrontato i modelli di attività genica tra i mini-polmoni e campioni di sei pazienti gravi con COVID-19.

“Fino ad ora siamo stati in grado di vederlo solo dalle autopsie”, ha detto Tata. “Ora abbiamo un modo per capire come energizzare le cellule per combattere questo virus mortale.”

Ralph Baric, coautore dell’articolo Duke, ha detto che userà i mini-polmoni per comprendere meglio un nuovo ceppo di SARS-CoV-2 chiamato D614G che è diventato la versione dominante del virus.

Questo ceppo, emerso in Italia, ha una proteina spike che lo rende più contagioso.

Il università di Cambridge e Duke University articoli sono stati pubblicati sulla rivista Cell Stem Cells.

COSA SONO LE CELLULE STAMINALI?

Le cellule staminali sono un tipo base di cellula che può trasformarsi in un altro tipo di cellula più specializzata attraverso un processo noto come differenziazione.

Pensa alle cellule staminali come a una nuova palla di argilla che può essere modellata e trasformata in qualsiasi cellula del corpo, comprese ossa, muscoli, pelle e altro ancora.

Questa capacità significa che sono stati al centro di molte ricerche mediche negli ultimi decenni.

Crescono in embrioni come cellule staminali embrionali, aiutando il bambino in rapida crescita a formare i milioni di diversi tipi di cellule di cui ha bisogno per costruire prima della nascita.

Negli adulti vengono utilizzate come cellule di riparazione, sostituendo quelle che perdiamo a causa dei danni o dell’invecchiamento.

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