Silica-challenged macrophage secretome drives distinct alveolar and bronchial epithelial-fibroblast crosstalk: a multicellular preclinical modelling approach

Silikose ist eine unerbittliche Lungenerkrankung, die durch das Einatmen winziger, scharfer Partikel aus kristallinem Siliziumdioxid verursacht wird – demselben Material, das auch in Sand, Stein und Beton vorkommt. Wenn diese Partikel tief in die Lungen gelangen, schickt der Körper des Immunsystems spezialisierte Zellen namens Makrophagen aus, um sie zu beseitigen. Die Siliziumpartikel sind jedoch zu scharf, um verdaut zu werden, und die Immunzellen sterben im Prozess des Aufräumens ab, wodurch ein toxischer Cocktail aus Chemikalien freigesetzt wird, der eine chronische Entzündung auslöst. Dieses anhaltende Signal führt dazu, dass die Auskleidung der Lunge zerfällt und das Gewebe zu Narbengewebe verhärtet, ein Prozess, der als Fibrose bekannt ist. Jahrzehntelang haben Wissenschaftler versucht zu verstehen, wie genau diese Kettenreaktion funktioniert und wie man sie stoppen kann, aber sie standen vor der schwierigen Entscheidung, wie sie sie untersuchen sollten. Traditionelle Laborexperimente mit Zellen, die flach auf Kunststoffschalen ausgebreitet sind, scheitern oft daran, die komplexe, dreidimensionale Struktur des echten Lungengewebes einzufangen, während Experimente an Tieren oft Ergebnisse liefern, die sich aufgrund von Unterschieden in der Anatomie und den Atemmustern nicht gut auf Menschen übertragen lassen.

Um diese Lücke zu schließen, entwickelte ein Team von Forschern am Asbestos and Dust Diseases Research Institute in Australien eine neue Methode, um die Krankheit unter Verwendung menschlicher Zellen zu modellieren, die so angeordnet sind, dass sie die natürliche Architektur der Lunge nachahmen. Anstatt Zellen isoliert zu betrachten, bauten sie kleine, dreidimensionale Sphären aus Zellen und schufen zudem Schichtsysteme, in denen verschiedene Zelltypen oberhalb und unterhalb voneinander liegen, sodass sie durch chemische Signale kommunizieren können, ohne sich zu berühren. Ihr Ziel war es zu sehen, wie die durch Siliziumdioxid herausgeforderten Immunzellen freigesetzten toxischen Signale die Auskleidung der Lunge und die Zellen, die deren Stützstruktur aufbauen, beeinflussen, und ob die physische Anordnung dieser Zellen das Ergebnis verändert. Durch den Vergleich dieser komplexen Modelle mit einfacheren, flachen Modellen hofften die Forscher, Details über die Krankheit zu enthüllen, die zuvor unsichtbar waren.

Die Forscher begannen damit, einen spezifischen Typ menschlicher Immunzellen darauf zu trainieren, sich wie die in der Lunge vorkommenden Makrophagen zu verhalten. Sie setzten diese Zellen Siliziumpartikeln zweier unterschiedlicher Größen aus und maßen, wie die Partikel die Gesundheit der Zellen und die von ihnen freigesetzten Chemikalien beeinflussten. Sie fanden heraus, dass die kleineren Siliziumpartikel schädlicher waren und die Immunzellen dazu brachten, ein hohes Volumen an Entzündungssignalen freizusetzen. Das Team sammelte anschließend die Flüssigkeit, die die gestressten Immunzellen umgab und einen toxischen Cocktail aus Chemikalien enthielt, und verwendete diese, um andere menschliche Lungenzellen zu behandeln. Sie testeten diese Mischung an zwei Arten von menschlichen Lungenzellen: Alveolarzellen, welche die winzigen Lungenbläschen auskleiden, in denen der Gasaustausch stattfindet, und Bronchialzellen, welche die größeren Atemwege auskleiden. Sie beobachteten diese Zellen in drei verschiedenen Aufbauten: flach auf einer Schale, gruppiert in dreidimensionalen Sphären und in einem Schichtsystem, bei dem die Lungenzellen auf einem Netz über den Immunzellen saßen.

Als die Forscher die toxischen Immunsignale auf die flachen, zweidimensionalen Kulturen anwendeten, sahen sie einen deutlichen Unterschied zwischen den beiden Arten von Lungenzellen. Die Alveolarzellen wurden weniger gesund und zeigten Anzeichen zunehmender Entzündungen im Laufe der Zeit. Im Gegensatz dazu blieben die Bronchialzellen weitgehend stabil, wobei ihr Entzündungsniveau nach einigen Tagen wieder zum Normalzustand zurückkehrte. Als die Forscher jedoch zu den dreidimensionalen Sphären-Modellen übergingen, wurde das Bild komplexer und aufschlussreicher. Die Alveolarzellen in den Sphären zeigten einen signifikanten Rückgang der Gesundheit und eine starke, anhaltende Entzündungsreaktion.ت Vor allem begannen diese Zellen ihre Identität zu verändern, was Anzeichen eines Prozesses namens epithelial-mesenchymale Transition zeigte, bei dem sie beginnen, sich wie die Zellen zu verhalten, die Narbengewebe aufbauen. Auch die Bronchialzellen in den Sphären zeigten einige dieser Veränderungen, doch diese waren weniger schwerwiegend und traten hauptsächlich auf genetischer Ebene statt in der physischen Struktur der Zellen auf.

Die auffälligsten Ergebnisse ergaben sich, als die Forscher Fibroblasten, also die Zellen, die für den Aufbau des strukturellen Rahmens der Lunge verantwortlich sind, in die Mischung einbrachten. In den dreidimensionalen Sphären, die sowohl Lungenzellen als als auch Fibroblasten enthielten, lösten die Alveolarzellen eine kraftvolle Reaktion aus. Die Anwesenheit der toxischen Immunsignale bewirkte, dass die Fibroblasten hochaktiv wurden und große Mengen an Proteinen produzierten, die Narbengewebe aufbauen. Dies deutet darauf an, dass die Alveolarzellen als starker Verstärker wirken, der eine lokale Immunreaktion in eine weit verbreitete fibrotische Reaktion verwandelt. Die Bronchialzellen zeigten selbst in Kombination mit Fibroblasten nicht die gleiche intensive Reaktion; ihre Fibroblasten-Partner blieben relativ ruhig und produzierten nur mäßige Mengen an narbenbildenden Proteinen. Dieser Unterschied verdeutlicht, dass die spezifische Art der beteiligten Lungenzelle darüber entscheidet, wie schwerwiegend die resultierende Vernarbung ausfällt.

Um weiter zu verstehen, wie diese Zellen miteinander kommunizieren, ohne sich zu berühren, verwendeten die Forscher ein Schichtsystem, bei dem die Lungenzellen auf einer porösen Membran über den Fibroblasten saßen. Dieser Aufbau ermöglichte es Chemikalien, zwischen den Schichten zu wandern, während die Zellen physisch getrennt blieben. Obwohl die Fibroblasten niemals direkt den toxischen Immunsignalen ausgesetzt waren, reagierten sie stark, wenn die Lungenzellen über ihnen behandelt wurden. Die Lungenzellen, die die Gefahr wahrnahmen, gaben ihre eigenen Signale ab, die zu den Fibroblasten hinunterreisten und ihnen den Befehl gaben, mit dem Aufbau von Narbengewebe zu beginnen. Dies bestätigte, dass die Lungenzellen als Vermittler fungieren, die den anfänglichen Immunangriff in eine Nachricht übersetzen, die die Strukturzellen anweist, das Gewebe umzubauen. Die Alveolarzellen sendeten eine viel lautere Nachricht als die Bronchialzellen, was zu einer aggressiveren Aktivierung der Fibroblasten führte.

Die Studie kommt zu dem Schluss, dass die physische Anordnung der Zellen bei der Untersuchung von Lungenerkrankungen wie Silikose eine enorme Bedeutung hat. Die einfachen, flachen Modelle, die in vielen bisherigen Studien verwendet wurden, konnten die volle Intensität der Schädigung und die spezifischen Arten, wie verschiedene Lungenzellen interagieren, nicht erfassen. Durch die Verwendung von dreidimensionalen Modellen, die die reale Struktur der Lunge besser widerspiegeln, konnten die Forscher zeigen, dass Alveolarzellen weitaus anfälliger für siliziumdioxid-induzierte Schäden sind und viel wahrscheinlicher den Fibroseprozess vorantreiben als Bronchialzellen. Diese Erkenntnisse legen nahe, dass der Ort der Verletzung innerhalb der Lunge die Schwere der Erkrankung bestimmt, wobei die Schädigung der Lungenbläschen der primäre Treiber der Vernarbung ist. Die Forscher schlagen vor, dass diese komplexen Mehrzellen-Modelle eine genauere Plattform für das Testen neuer Behandlungen bieten, da sie eine klarere Sicht darauf ermöglichen, wie die Krankheit fortschreitet und wie sie gestoppt werden kann.