通过共培养模型了解成纤维细胞-免疫细胞相互作用及其在哮喘发病机制中的作用

哮喘是一种慢性气道的炎症性疾病，是由过敏源（如花粉、尘螨、异味等）、运动因素、环境因素、遗传因素等引起的，并且是一种高度异质的肺部疾病，涉及慢性气道炎症、气流受限、气道高反应性引起气道壁增厚和纤维化，导致气道重塑。目前尚无治愈哮喘的方法，该疾病的大多数药物治疗可以主要控制炎症症状，而气道中的纤维化病变在很大程度上是不可逆的。

参与气道纤维化的主要效应细胞是成纤维细胞，主要负责合成和分泌肺部细胞外基质（ECM）。在哮喘的病理生物学中，在暴露于过敏原后，成纤维细胞对受损气道上皮细胞释放的各种介质（例如细胞因子、趋化因子）产生反应。这些上皮细胞因子还会募集不同的免疫细胞，如嗜酸性粒细胞、肥大细胞和 TH2细胞，然后与成纤维细胞通信以增加各种哮喘特征的诱导。研究已经指出了成纤维细胞在不同肺部疾病（如哮喘）的各种机制方面与免疫细胞潜在沟通的能力。

为了评估免疫细胞和成纤维细胞如何相互作用，研究人员利用了大量复杂的3D体外模型。使用的各种模型范围从简单的共培养实验到更复杂的3D培养和微流控芯片系统。在这些系统中，将成纤维细胞与各种免疫细胞共培养，可以研究肺成纤维细胞与免疫细胞串扰的特定机制。这反过来又促进了针对性治疗和药物研究的进展，以减少疾病症状，并最终有助于找到治疗哮喘的方法。

在不列颠哥伦比亚大学生物学系、温哥华圣保罗医院心肺创新中心研究团队的一项综述中，首次提供了使用复杂3D体外共培养模型来评估肺免疫细胞-成纤维细胞相互作用的研究总结，以及这些相互作用如何促进哮喘各种特征的机制。相关内容发表在 Frontiers in Immunology 期刊题为“Understanding fibroblast-immune cell interactions via co-culture models and their role in asthma pathogenesis”。

目前，有不同类型的复杂体外模型用于专门模拟哮喘患者和健康个体体内肺环境中成纤维细胞-免疫细胞相互作用的三维空间方向。其中，最简单的是条件培养基（CM）暴露模型（图1 A），免疫细胞和成纤维细胞作为单层分别培养，收获无细胞碎片的培养基并与另一种细胞类型一起孵育。这可以评估从两种细胞类型释放的可溶性介质如何影响彼此的表型。

此外，根据研究目的和评估的细胞-细胞相互作用，不同的研究也使用了2D共培养的各种变体。其中包括共培养模型，将成纤维细胞和免疫细胞混合并放置在底部有培养基的通透性插入式Transwell小室中共同培养（图1 B）。其他变体包括将成纤维细胞培养在具有通透性的Transwell培养小室中，免疫细胞直接培养在培养板下室（图1 C），或者将免疫细胞培养在悬挂的Transwell小室下方的培养孔表面上。在共培养实验中，成纤维细胞和免疫细胞的位置是可以互换的，这取决于正在研究的是哪种免疫细胞-成纤维细胞相互作用。

通过添加3D水凝胶（如I型胶原蛋白-凝胶），可以进一步改进共培养模型，以更接近于模拟肺部微环境的3D组织取向和结构。I型胶原凝胶包裹的肺成纤维细胞已被用于研究免疫细胞与成纤维细胞的相互作用，方法是将免疫细胞和成纤维细胞共包裹在I型胶原凝胶中（图1 D），在成纤维细胞包裹的胶原凝胶上播种免疫细胞（图1 E），或将免疫细胞培养在培养孔中肺成纤维细胞接种的3D I型胶原凝胶上的Transwell小室上（图1 F）。这些模型有可能在添加不同免疫细胞类型时检查成纤维细胞-上皮细胞-免疫细胞的相互作用。

图1 哮喘中免疫-成纤维细胞相互作用的体外3D共培养模型。
（A）条件培养基暴露处理模型。（B）免疫细胞和成纤维细胞在半透性transwell插入物中混合共培养模型。（C）直接共培养模型。（D）3D共培养，其中嵌入水凝胶中的混合免疫细胞和成纤维细胞在半透性跨孔插入物中培养。（E）3D共培养，其中成纤维细胞嵌入水凝胶中，免疫细胞在顶部培养。（F）3D共培养的一种变体，其中免疫细胞在半透性transwell插入物内培养，在该插入物下培养成纤维细胞嵌入的3D水凝胶。

该综述梳理了大量以往关于免疫细胞和成纤维细胞相互作用的证据，这些研究通过共培养实验，证明了免疫细胞-成纤维细胞串扰在哮喘性慢性气道炎症中的重要性。成纤维细胞-嗜酸性粒细胞、肥大细胞和T 细胞相互作用的一个令人惊讶的共同主题是，这些相互作用主要导致 IL-8 和 IL-6 炎症，这对中性粒细胞募集和趋化性是很重要的。这是一个重要的发现，似乎模糊了嗜酸性粒细胞/过敏性哮喘和中性粒细胞/非过敏性哮喘之间的界限。这是因为通过串扰研究，很明显，即使在过敏性哮喘期间，嗜酸性粒细胞、肥大细胞和 T 细胞等细胞与成纤维细胞之间的相互作用似乎也会导致中性粒细胞炎症。这些发现在简单的2D培养或动物模型研究中并不明显。由于IL-6和IL-8（从嗜酸性粒细胞，肥大细胞和T细胞-成纤维细胞串扰中释放）是关键的中性粒细胞趋化因子和激活因子，因此在体外进一步评估中性粒细胞和成纤维细胞之间的相互作用将是有益的。目前缺乏评估哮喘发病机制中中性粒细胞-成纤维细胞相互作用的研究，这可能是由于中性粒细胞培养和维持的固有困难，因为这些细胞需要从血液中新鲜分离以用于实验。尽管如此，中性粒细胞已成功与气道上皮细胞共培养，以评估病原体诱导的气道中跨上皮迁移。这些方法可能会在未来的研究中进行调整，以评估哮喘发病机制中的成纤维细胞-中性粒细胞的串扰。

此外，气道纤维化是哮喘的一个突出特征，主要是由于ECM蛋白沉积增加以及ECM降解和修复之间的不平衡。最近，成纤维细胞已被证明与免疫细胞相互作用，以增加ECM蛋白的产生和降解。该综述中列举的研究证明了成纤维细胞-免疫细胞相互作用对于纤维化的特定特征至关重要。嗜酸性粒细胞-成纤维细胞相互作用涉及TGF-β和MMPs的释放，引起ECM合成并调节基质周转。此外，还发现TGF-β释放对肥大细胞-成纤维细胞相互作用很重要，这些相互作用参与哮喘中过量的ECM产生（例如胶原蛋白-I）。

在这篇综述中，研究人员对研究成纤维细胞-免疫细胞串扰对哮喘发病机制的贡献进行了公正的总结，特别强调气道炎症和纤维化。除了前面讨论的各种体外共培养模型外，还有使用更先进的生物模型的各种应用，包括精确切割的肺切片，微流体肺芯片系统（LOAC）和3D肺生物打印模型，这些模型都正在建立以模拟肺部复杂的3D体内环境，并允许研究两种以上的细胞类型。这是因为，添加更多的细胞，以及体内环境的其他特征，可以进一步使发现新的可能的药物靶点成为可能。从所回顾的研究的基础上，可能会提供新的治疗靶点，集中在通过多细胞生物人工模型研究发现的介质上，并可能为哮喘提供新的治疗方法。

参考文献：Thiam F, Yazeedi SA, Feng K, Phogat S, Demirsoy E, Brussow J, Abokor FA, Osei ET. Understanding fibroblast-immune cell interactions via co-culture models and their role in asthma pathogenesis. Front Immunol. 2023 Feb 23;14:1128023. doi: 10.3389/fimmu.2023.1128023. PMID: 36911735; PMCID: PMC9996007.
原文链接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/36911735/

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