Bengaluru: Naukowcy z Wydziału Bioinżynierii (BE) Indyjskiego Instytutu Naukowego (IISc) opracowali nowatorski system hodowli hydrożelowej 3D, który naśladuje środowisko płuc ssaków. Stanowi potężną platformę do śledzenia i badania, w jaki sposób bakterie gruźlicy infekują komórki płuc, a także do testowania skuteczności leków stosowanych w leczeniu gruźlicy, stwierdził w komunikacie prasowym IISc z siedzibą w Bengaluru. „Mycobacterium tuberculosis (Mtb)” jest niebezpiecznym patogenem. Według WHO w 2022 r. dotknęło to 10,6 mln osób i spowodowało 1,3 mln zgonów.

„To bardzo stary błąd, który ewoluował wraz z nami” – mówi Rachit Agarwal, profesor nadzwyczajny w BE i współautorka badania opublikowanego w „Advanced Healthcare Materials”. „Mtb” infekuje przede wszystkim płuca.

Obecne modele hodowli stosowane do badania infekcji „Mtb” mają kilka ograniczeń. Są to zazwyczaj płytki hodowlane, które są jednowarstwowe i nie naśladują dokładnie mikrośrodowiska 3D wewnątrz płuc. Według IISc mikrośrodowisko, w którym żyją komórki w takiej hodowli 2D, znacznie różni się od rzeczywistej macierzy zewnątrzkomórkowej (ECM) otaczającej tkankę płuc.

„Na płytce do hodowli tkanek nie ma cząsteczek ECM i nawet jeśli płytki te pokryje się bardzo cienką warstwą ECM, komórki płuc w najlepszym przypadku „widzą” ECM z jednej strony” — wyjaśnia Vishal Gupta, doktorant na BE i główny autor.

Płytki hodowlane 2D są również niezwykle twarde w porównaniu z miękkimi tkankami płuc. „Patrzysz na kamień kontra poduszkę” – wyjaśnia Agarwal.

On i jego zespół zaprojektowali nową kulturę hydrożelu 3D z kolagenu, kluczowej cząsteczki obecnej w ECM komórek płuc. Kolagen jest rozpuszczalny w wodzie przy lekko kwaśnym pH. Wraz ze wzrostem pH kolagen tworzy fibryle, które łączą się, tworząc żelową strukturę 3D.

W momencie żelowania naukowcy dodali ludzkie makrofagi „komórki odpornościowe zaangażowane w zwalczanie infekcji” wraz z „Mtb”. Uwięziło to zarówno makrofagi, jak i bakterie w kolagenie, co umożliwiło naukowcom śledzenie, w jaki sposób bakterie infekują makrofagi.

Zespół monitorował postęp infekcji w ciągu 2–3 tygodni. Zaskakujące było to, że komórki ssaków zachowywały żywotność w hydrożelu przez trzy tygodnie. „Obecne kultury są w stanie utrzymać je jedynie przez 4–7 dni” – czytamy w komunikacie.

„To czyni go bardziej atrakcyjnym, ponieważ 'Mtb’ jest patogenem, który rozwija się w organizmie bardzo powoli” – mówi Agarwal.

Następnie naukowcy przeprowadzili sekwencjonowanie RNA komórek płuc, które rosły w hydrożelu i odkryli, że były one bardziej podobne do rzeczywistych próbek ludzkich w porównaniu z tymi z tradycyjnych systemów hodowli.

Zespół przetestował także działanie pirazynamidu – jednego z czterech leków najczęściej podawanych pacjentom z gruźlicą. Odkryli, że nawet niewielka ilość (10 g/ml) leku była dość skuteczna w usuwaniu „Mtb” z hodowli hydrożelowej.

Wcześniej naukowcy musieli stosować duże dawki leku – znacznie wyższe w porównaniu ze stężeniami osiąganymi u pacjentów – aby wykazać jego skuteczność w hodowli tkankowej. „Nikt nie wykazał, że lek ten działa w klinicznie istotnych dawkach w jakichkolwiek systemach hodowli. Nasza konfiguracja potwierdza fakt, że hydrożel 3D lepiej naśladuje infekcję” – wyjaśnia Agarwal.

Agarwal dodaje, że złożyli już indyjski patent na swoją kulturę 3D, która może być skalowana przez branże i wykorzystywana do testowania i odkrywania leków. „Pomysł polegał na tym, aby było to dość proste, aby inni badacze mogli to powtórzyć” – dodaje.

W przyszłości naukowcy planują naśladować ziarniniaki – skupiska zakażonych białych krwinek – w swojej trójwymiarowej hodowli hydrożelowej, aby zbadać, dlaczego niektórzy ludzie mają utajoną gruźlicę, a inni wykazują agresywne objawy.

Gupta twierdzi, że zespół jest również zainteresowany zrozumieniem mechanizmu działania pirazynamidu, co może pomóc w odkryciu nowych leków, które będą bardziej lub równie skuteczne.