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

La silicosi è una malattia polmonare implacabile causata dall'inalazione di minuscole e affilate particelle di silice cristallina, lo stesso materiale che si trova nella sabbia, nella pietra e nel cemento. Quando queste particelle si depositano in profondità nei polmoni, il sistema immunitario del corpo invia cellule specializzate chiamate macrofagi per ripulirle. Tuttavia, la silice è troppo tagliente per essere digerita e le cellule immunitarie finiscono per morire nel processo, rilasciando un cocktail tossico di sostanze chimiche che innesca un'infiammazione cronica. Questo segnale persistente causa la degradazione del rivestimento del polmone e l'indurimento del tessuto in tessuto cicatriziale, un processo noto come fibrosi. Per decenni, gli scienziati hanno cercato di capire esattamente come funzioni questa reazione a catena e come fermarla, ma si sono trovati di fronte a una scelta difficile su come studiarla. Gli esperimenti tradizionali in laboratorio, che utilizzano cellule distese piatte su piastre di plastica, spesso non riescono a catturare la complessa struttura tridimensionale del vero tessuto polmonare, mentre gli esperimenti sugli animali spesso producono risultati che non si traducono bene negli esseri umani a causa delle differenze nell'anatomia e nei modelli di respirazione.

Per colmare questo divario, un team di ricercatori dell'Asbestos and Dust Diseases Research Institute in Australia ha sviluppato un nuovo modo per modellare la malattia utilizzando cellule umane disposte in un modo che imita l'architettura naturale del polmone. Invece di osservare le cellule in isolamento, hanno costruito piccole sfere tridimensionali di cellule e hanno anche creato sistemi stratificati in cui diversi tipi di cellule siedono sopra e sotto l'una l'altra, permettendo loro di comunicare attraverso segnali chimici senza toccarsi. Il loro obiettivo era vedere come i segnali tossici rilasciati dalle cellule immunitarie messe alla prova dalla silice influenzino il rivestimento del polmone e le cellule che costruiscono la sua struttura portante, e se la disposizione fisica di queste cellule cambi l'esito. Confrontando questi modelli complessi con quelli più semplici e piatti, i ricercatori speravano di scoprire dettagli sulla malattia che prima erano invisibili.

I ricercatori hanno iniziato addestrando un tipo specifico di cellula immunitaria umana per agire come i macrofagi presenti nei polmoni. Hanno esposto queste cellule a particelle di silice di due dimensioni diverse, misurando come le particelle influenzassero la salute delle cellule e quali sostanze chimiche rilasciassero. Hanno scoperto che le particelle di silice più piccole erano più dannose, causando alle cellule immunitarie il rilascio di un alto volume di segnali infiammatori. Il team ha poi raccolto il liquido circostante queste cellule immunitarie stressate, che conteneva il cocktail tossico di sostanze chimiche, e ha utilizzato questa miscela per trattare altre cellule polmonari umane. Hanno testato questa miscela su due tipi di cellule polmonari: le cellule alveolari, che rivestono i piccoli sacchi d'aria dove avviene lo scambio di ossigeno, e le cellule bronchiali, che rivestono le vie aeree più grandi. Hanno osservato queste cellule in tre configurazioni diverse: piatte su un piatto, raggruppate in sfere tridimensionali e disposte in un sistema stratificato in cui le cellule polmonari sedevano su una rete sopra le cellule immunitarie.

Quando i ricercatori hanno applicato i segnali immunitari tossici alle colture bidimensionali piatte, hanno visto una chiara differenza tra i due tipi di cellule polmonari. Le cellule alveolari sono diventate meno sane e hanno mostrato segni di un aumento dell'infiammazione nel tempo. Al contrario, le cellule bronchiali sono rimaste ampiamente stabili, con i loro livelli di infiammazione che tornavano alla normalità dopo alcuni giorni. Tuttavia, quando i ricercatori sono passati ai modelli a sfere tridimensionali, il quadro è diventato più complesso e rivelatore. Le cellule alveolari nelle sfere hanno mostrato un calo significativo della salute e una risposta infiammatoria forte e sostenuta. Ancora più importante, queste cellule hanno iniziato a cambiare la loro identità, mostrando segni di un processo chiamato transizione epitelio-mesenchimale, in cui iniziano a comportarsi più come le cellule che costruiscono il tessuto cicatriziale. Anche le cellule bronchiali nelle sfere hanno mostrato alcuni di questi cambiamenti, ma erano meno gravi e apparivano principalmente a livello genetico piuttosto che nella struttura fisica delle cellule.

I risultati più sorprendenti sono emersi quando i ricercatori hanno aggiunto i fibroblasti, le cellule responsabili della costruzione dell'impalcatura strutturale del polmone, nella miscela. Nelle sfere tridimensionali contenenti sia cellule polmonari che fibroblasti, le cellule alveolari hanno innescato una reazione potente. La presenza dei segnali immunitari tossici ha causato l'elevata attività dei fibroblasti, che hanno prodotto grandi quantità di proteine che costruiscono il tessuto cicatriziale. Ciò suggerisce che le cellule alveolari agiscano come un forte amplificatore, trasformando una reazione immunitaria locale in una risposta fibrotica diffusa. Le cellule bronchiali, anche quando accoppiate con i fibroblasti, non hanno innescato la stessa intensa reazione; i loro partner fibroblasti sono rimasti relativamente calmi, producendo solo modeste quantità di proteine costruttrici di cicatrici. Questa differenza evidenzia come il tipo specifico di cellula polmonare coinvolta nella lesione determini la gravità della cicatrice risultante.

Per comprendere ulteriormente come queste cellule comunichino tra loro senza toccarsi, il team ha utilizzato un sistema stratificato in cui le cellule polmonari sedevano su una membrana porosa sopra i fibroblasti. Questa configurazione ha permesso alle sostanze chimiche di passare tra gli strati pur mantenendo le cellule fisicamente separate. Anche se i fibroblasti non sono mai stati esposti direttamente ai segnali immunitari tossici, hanno reagito fortemente quando le cellule polmonari sovrastanti sono state trattate. Le cellule polmonari, percependo il pericolo, hanno rilasciato i propri segoli che sono scesi verso i fibroblasti, istruendoli a iniziare a costruire tessuto cicatriziale. Questo ha confermato che le cellule polmonari agiscono come intermediari, traducendo l'attacco immunitario iniziale in un messaggio che istruisce le cellule strutturali a rimodellare il tessuto. Le cellule alveolari hanno inviato un messaggio molto più forte rispetto alle cellule bronchiali, portando a un'attivazione più aggressiva dei fibroblasti.

Lo studio conclude che la disposizione fisica delle cellule conta immensamente quando si studiano malattie polmonari come la silicosi. I semplici modelli piatti utilizzati in molti studi precedenti non sono riusciti a catturare la piena intensità del danno e i modi specifici in cui le diverse cellule polmonari interagiscono. Utilizzando modelli tridimensionali che riflettono meglio la vera struttura del polmone, i ricercatori sono stati in grado di vedere che le cellule alveolari sono molto più vulnerabili al danno indotto dalla silice e sono molto più propense a guidare il processo di fibrosi rispetto alle cellule bronchiali. Queste scoperte suggeriscono che la posizione della lesione all'interno del polmone determina la gravità della malattia, con il danno ai sacchi aerei che rappresenta il principale motore della cicatrizzazione. I ricercatori propongono che questi modelli complessi a più cellule forniscano una piattaforma più accurata per testare nuovi trattamenti, offrendo una visione più chiara di come la malattia progredisce e di come possa essere fermata.