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

La silicosis es una enfermedad pulmonar implacable causada por la inhalación de diminutas y afiladas partículas de sílice cristalina, el mismo material que se encuentra en la arena, la piedra y el hormigón. Cuando estas partículas se asientan en lo profundo de los pulmones, el sistema inmunológico del cuerpo envía células especializadas llamadas macrófagos para limpiarlas. Sin embargo, la sílice es demasiado afilada para ser digerida, y las células inmunitarias terminan muriendo en el proceso, liberando un cóctel tóxico de sustancias químicas que desencadena una inflamación crónica. Esta señal persistente provoca que el revestimiento del pulmón se descomponga y que el tejido se endurezca convirtiéndose en tejido cicatricial, un proceso conocido como fibrosis. Durante décadas, los científicos han intentado comprender exactamente cómo funciona esta reacción en cadena y cómo detenerla, pero se han enfrentado a una difícil elección sobre cómo estudiarla. Los experimentos de laboratorio tradicionales utilizando células extendidas de forma plana sobre placas de plástico a menudo no logran capturar la compleja estructura tridimensional del tejido pulmonar real, mientras que los experimentos en animales a menudo producen resultados que no se traducen bien a los humanos debido a las diferencias en la anatomía y los patrones de respiración.

Para cerrar esta brecha, un equipo de investigadores del Instituto de Investigación de Asbesto y Enfermedades Pulmonares en Australia desarrolló una nueva forma de modelar la enfermedad utilizando células humanas dispuestas de una manera que imita la arquitectura natural del pulmón. En lugar de observar las células de forma aislada, construyeron pequeñas esferas tridimensionales de células y también crearon sistemas por capas donde diferentes tipos de células se sitúan una encima de otra, permitiéndoles comunicarse mediante señales químicas sin tocarse. Su objetivo era observar cómo las señales tóxicas liberadas por las células inmunitarias desafiadas por la sílice afectan al revestimiento del pulmón y a las células que construyen su estructura de soporte, y si la disposición física de estas células cambia el resultado. Al comparar estos modelos complejos con modelos más simples y planos, los investigadores esperaban descubrir detalles sobre la enfermedad que antes eran invisibles.

Los investigadores comenzaron entrenando a un tipo específico de célula inmunitaria humana para que actuara como los macrófagos que se encuentran en los pulmones. Expusieron estas células a partículas de sílice de dos tamaños diferentes, midiendo cómo las partículas afectaban la salud de las células y qué sustancias químicas liberaban. Descubrieron que las partículas de sílice más pequeñas eran más dañinas, provocando que las células inmunitarias liberaran un alto volumen de señales inflamatorias. El equipo luego recolectó el líquido que rodeaba a estas células inmunitarias estresadas, el cual contenía el cóctel tóxico de sustancias químicas, y utilizó este para tratar otras células pulmonas humanas. Probaron esta mezcla en dos tipos de células pulmonares: células alveolares, que revisten los sacos de aire diminutos donde ocurre el intercambio de oxígeno, y células bronquiales, que revisten las vías respiratorias más grandes. Observaron estas células en tres configuraciones diferentes: planas en una placa, agrupadas en esferas tridimensionales y dispuestas en un sistema por capas donde las células pulmonares se asientan sobre una malla por encima de las células inmunitarias.

Cuando los investigadores aplicaron las señales inmunitarias tóxicas a los cultivos bidimensionales planos, observaron una diferencia clara entre los dos tipos de células pulmonares. Las células alveolares se volvieron menos saludables y mostraron signos de un aumento de la inflamación con el tiempo. Por el contrario, las células bronquiales permanecieron mayormente estables, con sus niveles de inflamación regresando a la normalidad después de unos pocos días. Sin embargo, cuando los investigadores pasaron a los modelos de esferas tridimensionales, el panorama se volvió más complejo y revelador. Las células alveolares en las esferas mostraron una caída significativa en su salud y una respuesta inflamatoria fuerte y sostenida. Más importante aún, estas células comenzaron a cambiar su identidad, mostrando signos de un proceso llamado transición epitelio-mesenquimal, donde comienzan a comportarse más como las células que construyen el tejido cicatricial. Las células bronquiales en las esferas también mostraron algunos de estos cambios, pero fueron menos severos y aparecieron principalmente a nivel genético en lugar de en la estructura física de las células.

Los resultados más sorprendentes surgieron cuando los investigadores añadieron fibroblastos, las células responsables de construir el armazón estructural del pulmón, a la mezcla. En las esferas tridimensionales que contenían tanto células pulmonares como fibroblastos, las células alveolares impulsaron una reacción poderosa. La presencia de las señales inmunitarias tóxicas hizo que los fibroblastos se volvieran altamente activos, produciendo grandes cantidades de proteínas que construyen tejido cicatricial. Esto sugiere que las células alveolares actúan como un potente amplificador, convirtiendo una reacción inmunitaria local en una respuesta fibrótica generalizada. Las células bronquiales, incluso cuando se combinaron con fibroblastos, no provocaron la misma reacción intensa; sus compañeros fibroblastos permanecieron relativamente tranquilos, produciendo solo una modesta cantidad de proteínas formadoras de cicatrices. Esta diferencia resalta que el tipo específico de célula pulmonar involucrada en la lesión dicta la gravedad de la cicatrización resultante.

Para comprender mejor cómo estas células se comunican entre sí sin tocarse, el equipo utilizó un sistema de capas donde las células pulmonares se asentaban sobre una membrana porosa por encima de los fibroblastos. Esta configuración permitió que las sustancias químicas pasaran entre las capas mientras mantenía a las células físicamente separadas. A pesar de que los fibroblastos nunca estuvieron expuestos directamente a las señales inmunitarias tóxicas, reaccionaron fuertemente cuando las células pulmonares situadas arriba fueron tratadas. Las células pulmonares, al detectar el peligro, liberaron sus propias señales que viajaron hacia abajo hasta los fibroblastos, indicándoles que comenzaran a construir tejido cicatricial. Esto confirmó que las células pulmonares actúan como un intermediario, traduciendo el ataque inmunitario inicial en un mensaje que instruye a las células estructurales para que remodelen el tejido. Las células alveolares enviaron un mensaje mucho más fuerte que las células bronquiales, lo que condujo a una activación más agresiva de los fibroblastos.

El estudio concluye que la disposición física de las células importa inmensamente al estudiar enfermedades pulmonares como la silicosis. Los modelos simples y planos utilizados en muchos estudios previos no lograron capturar la intensidad total del daño y las formas específicas en que las diferentes células pulmonares interactúan. Al utilizar modelos tridimensionales que reflejan mejor la estructura real del pulmón, los investigadores pudieron ver que las células alveolares son mucho más vulnerables al daño inducido por la sílice y son mucho más propensas a impulsar el proceso de fibrosis que las células bronquiales. Estos hallazgos sugieren que la ubicación de la lesión dentro del pulmón determina la gravedad de la enfermedad, siendo el daño a los sacos de aire el principal motor de la cicatrización. Los investigadores proponen que estos modelos complejos de múltiples células proporcionan una plataforma más precisa para probar nuevos tratamientos, ofreciendo una visión más clara de cómo progresa la enfermedad y cómo podría detenerse.