Трехмерная биоинженерная модель легочной ткани, построенная исследователями из Мичиганского университета, пробивает дыры в десятилетиях плоских наблюдений в чашке Петри в том, как прогрессирует смертельное заболевание – фиброз легких.
Причины легочного фиброза до конца не изучены, но это состояние отмечено рубцовой тканью, которая образуется внутри легких. Эта рубцовая ткань укрепляет стенки воздушных мешочков легких, называемых альвеолами, или, на поздних стадиях, она может полностью заполнять альвеолярные пространства. Оба сценария затрудняют дыхание и уменьшают количество кислорода, попадающего в кровоток. Часто состояние необратимо, что в конечном итоге приводит к легочной недостаточности и смерти.
Некоторые врачи обеспокоены тем, что у тяжелобольных пациентов с COVID-19 может развиться форма фиброза легких после длительного пребывания в отделении интенсивной терапии.
Исследователи ищут лучшие методы лечения. Несмотря на то, что им удалось найти некоторые лекарства, которые облегчают симптомы или замедляют прогрессирование на практике, они не всегда могут воспроизвести эти результаты в сегодняшних двухмерных лабораторных моделях. Поэтому они не понимают, как и почему действуют эти лекарства, и не всегда могут предсказать, какие соединения будут иметь значение. Новое исследование UM делает шаг в этом направлении и наглядно демонстрирует, насколько предыдущие подходы были неэффективными.
Команда показала, что в некоторых двухмерных моделях препараты, которые уже известны как эффективные в лечении, не дают результатов тестов, которые показывают эффективность. Однако их трехмерная тканевая инженерная модель фиброзной ткани легких показывает, что эти препараты работают.
Перед тестированием лекарств они сначала провели исследования, чтобы понять, как жесткость тканей влияет на появление миофибробластов – клеток, которые коррелируют с прогрессированием рубцевания.
"Даже в клетках одного и того же пациента мы наблюдали разные результаты," сказал Даниэль Матера, доктор философии.D. кандидат и член команды. "Когда мы ввели жесткость в среду двумерного тестирования, она активировала миофибробласты, по существу создавая рубцовую ткань. Когда мы ввели такую же жесткость в нашу среду трехмерного тестирования, это предотвратило или замедлило активацию миофибробластов, остановив или замедлив образование рубцовой ткани."
Он добавил, что при большинстве исследований фиброза легких с использованием 2-D тестирования, многие считают, что высокая жесткость легких у пациентов – это то, на что следует ориентироваться при лечении. Исследование U-M показывает, что одно только нацеливание на жесткость не может препятствовать прогрессированию заболевания у пациентов, даже если оно работает в чашке Петри.
Выводы группы доступны в Science Advances.
Чтобы найти эффективные методы лечения, исследователи сначала просматривают библиотеки фармацевтических соединений. Сегодня они обычно делают это на клетках, культивируемых на плоских пластиковых или гидрогелевых поверхностях, но эти настройки часто плохо справляются с воссозданием того, что происходит в человеческом теле.
Брендон Бейкер, доцент кафедры биомедицинской инженерии UM, и его команда использовали подход тканевой инженерии. Они реконструировали трехмерный интерстиций легких, или соединительную ткань, дом фибробластов и место, где начинается фиброз. Их цель состояла в том, чтобы понять, как механические сигналы от легочной ткани влияют на поведение фибробластов и прогрессирование заболевания.
"Воссоздание трехмерной фиброзной структуры интерстиция легких позволило нам подтвердить эффективные препараты, которые не были бы идентифицированы как хиты в традиционных условиях скрининга," Бейкер сказал.
В центре загадки легочного фиброза находится фибробласт, клетка, обнаруженная в интерстиции легких, которая имеет решающее значение для заживления, но, как это ни парадоксально, может также способствовать прогрессированию заболевания. При активации, после травмы или при заболевании они становятся миофибробластами. При правильном регулировании они играют важную роль в заживлении ран, но при неправильном регулировании могут вызывать хронические заболевания. В случае фиброза легких они вызывают уплотнение легочной ткани, затрудняющее дыхание.
"Наша модель легочной ткани выглядит и ведет себя аналогично тому, что мы наблюдали при визуализации реальной легочной ткани," Бейкер сказал. "Клетки пациентов в рамках нашей модели могут активно укреплять, разрушать или реконструировать свою собственную среду, как они это делают при болезни."
Статья называется "Микроинженерные трехмерные легочные интерстициальные миметики подчеркивают критическую роль деградации матрикса в дифференцировке миофибробластов."