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

Silicose is een meedogenloze longziekte die wordt veroorzaakt door het inademen van minuscule, scherpe deeltjes kristallijne silica, hetzelfde materiaal dat te vinden is in zand, steen en beton. Wanneer deze deeltjes diep in de longen terechtkomen, stuurt het immuunsysteem van het lichaam gespecialiseerde cellen, genaamd macrofagen, om ze op te ruimen. De silica is echter te scherp om verteerd te worden, waardoor de immuuncellen in het proces ook sterven en een toxische cocktail van chemicaliën vrijgeven die chronische ontsteking veroorzaakt. Dit aanhoudende signaal zorgt ervoor dat de bekleding van de longen afbreekt en het weefsel verhardt tot littekenweefsel, een proces dat fibrose wordt genoemd. Decennialang hebben wetenschappers geprobeerd precies te begrijpen hoe deze kettingreactie werkt en hoe ze deze kunnen stoppen, maar zij werden geconfronteerd met een moeilijke keuze in de manier waarop ze dit konden bestuderen. Traditionele laboratoriumexperimenten met cellen die plat op plastic schalen zijn uitgespreid, falen vaak omdat ze de complexe, driedimensionale structuur van echt longweefsel niet goed kunnen vangen, terwijl experimenten op dieren vaak resultaten opleveren die niet goed vertaalbaar zijn naar mensen vanwege verschillen in anatomie en ademhalingspatronen.

Om deze kloof te overbruggen, heeft een team onderzoekers aan het Asbestos and Dust Diseases Research Institute in Australië een nieuwe manier ontwikkeld om de ziekte te modelleren met behoud van menselijke cellen die op een manier zijn gerangschikt die de natuurlijke architectuur van de longen nabootst. In plaats van naar cellen in isolatie te kijken, bouwden ze kleine, driedimensionale sferen van cellen en creëerden ze ook gelaagde systemen waarbij verschillende celtypen boven en onder elkaar liggen, waardoor ze via chemische signalen met elkaar kunnen communiceren zonder elkaar aan te raken. Hun doel was om te zien hoe de toxische signalen die door door silica uitgedaagde immuuncellen worden vrijgegeven, de bekleding van de longen en de cellen die de ondersteunende structuur opbouwen beïnvloeden, en of de fysieke rangschikking van deze cellen de uitkomst verandert. Door deze complexe modellen te vergelijken met simpelere, platte modellen, hoopten de onderzoekers details over de ziekte te ontdekken die voorheen onzichtbaar waren.

De onderzoekers begonnen door een specifiek type menselijke immuuncel te trainen om te fungeren als de macrofagen die in de longen worden gevonden. Ze exposeerden deze cellen aan silica-deeltjes van twee verschillende groottes en maten hoe de deeltjes de gezondheid van de cellen beïnvloedden en welke chemicaliën zij vrijgaven. Ze ontdekten dat de kleinere silica-deeltjes meer schade aanrichtten, wat de immuuncellen ertoe bracht een hoog volume aan ontstekingssignalen vrij te geven. Het team verzamelde vervolgens de vloeistof rondom deze gestreste immuuncellen, die de toxische cocktail van chemicaliën bevatte, en gebruikte deze om andere menselijke longcellen te behandelen. Ze testten deze mengeling op twee typen menselijke longcellen: alveolaire cellen, die de kleine luchtzakjes bekleden waar de gasuitwisseling plaatsvindt, en bronchiale cellen, die de grotere luchtwegen bekleden. Ze observeerden deze cellen in drie verschillende opstellingen: plat op een schaal, gegroepeerd in driedimensionale sferen, en gerangschikt in een gelaagd systeem waarbij de longcellen op een gaas boven de immuuncellen zaten.

Wanneer de onderzoekers de toxische immuunsignalen toepasten op de platte, tweedimensionale culturen, zagen ze een duidelijk verschil tussen de twee typen longcellen. De alveolaire cellen werden minder gezond en vertoonden tekenen van toenemende ontsteking in de loop van de tijd. In tegenstelling hiertoe bleven de bronchale cellen grotendeels stabiel, waarbij hun ontstekingsniveaus na enkele dagen weer normaal werden. Echter, wanneer de onderzoekers overgingen naar de driedimensionale sfeer-modellen, werd het beeld complexer en onthullender. De alveolaire cellen in de sferen vertoonden een significante daling in gezondheid en een sterke, aanhoudende ontstekingsreactie. Belangrijker nog, deze cellen begonnen hun identiteit te veranderen, wat tekenen vertoonde van een proces genaamd epitheliale-mesenchymale transitie, waarbij ze meer gaan gedragen als de cellen die littekenweefsel opbouwen. De bronchale cellen in de sferen vertoonden ook enkele van deze veranderingen, maar deze waren minder ernstig en kwamen voornamelijk op genetisch niveau voor in plaats van in de fysieke structuur van de cellen.

De meest opvallende resultaten kwamen naar voren toen de onderzoekers fibroblasten, de cellen die verantwoordelijk zijn voor het opbouwen van het structurele kader van de longen, aan de mix toevoegden. In de driedimensionale sferen die zowel longcellen als fibroblasten bevatten, veroorzaakten de alveolaire cellen een krachtige reactie. De aanwezigheid van de toxische immuunsignalen zorgde ervoor dat de fibroblasten zeer actief werden en grote hoeveelheden eiwitten produceerden die littekenweefsel opbouwen. Dit suggereert dat de alveolaire cellen fungeren als een sterke versterker, die een lokale immuunreactie omzetten in een wijdverspreide fibrotische respons. De bronchale cellen, zelfs wanneer ze gekoppeld waren aan fibroblasten, veroorzaerdenen niet dezelfde intense reactie; hun fibroblast-partners bleven relatief rustig en produceerden slechts matige hoeveelheden littekenopbouwende eiwitten. Dit verschil benadrukt dat het specifieke type cel in de long de ernst van de resulterende littekenvorming bepaalt.

Om verder te begrijpen hoe deze cellen met elkaar communiceren zonder elkaar aan te raken, gebruikten het team een gelaagd systeem waarbij de longcellen op een poreus membraan boven de fibroblasten zaten. Deze opstelling liet toe dat chemicaliën tussen de lagen konden passeren terwijl de cellen fysiek gescheiden bleven. Ondanks dat de fibroblasten nooit direct werden blootgesteld aan de toxische immuunsignalen, reageerden ze sterk wanneer de longcellen boven hen werden behandeld. De longcellen, die het gevaar voelden, gaven hun eigen signalen af die naar de fibroblasten reisden en hen instructies gaven om littekenweefsel te gaan opbouwen. Dit bevestigde dat de longcellen optreden als een tussenpersoon die de initiële immuunaanval vertaalt naar een boodschap die de structurele cellen instrueert om het weefsel te herstructureren. De alveolaire cellen stuurden een veel luider bericht dan de bronchale cellen, wat leidde tot een agressievere activatie van de fibroblasten.

De studie concludeert dat de fysieke rangschikking van cellen een enorme rol speelt bij het bestuderen van longziekten zoals silicose. De eenvoudige, platte modellen die in veel eerdere studies werden gebruikt, slaagden er niet in de volledige intensiteit van de schade en de specifieke manieren waarop verschillende longcellen met elkaar interageren te vangen. Door driedimensionale modellen te gebruiken die de werkelijke structuur van de longen beter weerspiegelen, konden de onderzoekers zien dat alveolaire cellen veel kwetsbaarder zijn voor door silica veroorzaakte schade en veel eerder geneigd zijn het fibroseproces aan te drijven dan bronchale cellen. Deze bevindingen suggereren dat de locatie van de letsel binnen de longen de ernst van de ziekte bepaalt, waarbij schade aan de luchtzakjes de primaire drijfveer is voor littekenvorming. De onderzoekers stellen voor dat deze complexe, multicele-modellen een nauwkeuriger platform bieden voor het testen van nieuwe behandelingen, waardoor een duidelijker beeld ontstaat van hoe de ziekte verloopt en hoe deze gestopt kan worden.