Human Lung Chip aproveitado para modelar fielmente lesão pulmonar induzida por radiação

O pulmão é um dos tecidos mais sensíveis à radiação do corpo humano. Pessoas expostas a altas doses de radiação após incidentes nucleares desenvolvem lesão pulmonar induzida por radiação (RILI), que afeta a função de muitos tipos de células no pulmão, causando inflamação aguda e sustentada e, a longo prazo, espessamento e formação de cicatrizes no tecido pulmonar. conhecido como fibrose. O RILI também é um efeito colateral comum da radioterapia administrada a pacientes com câncer para matar células malignas em seus corpos e pode limitar a dose máxima de radiação que os médicos podem usar para controlar seus tumores, além de prejudicar drasticamente a qualidade de vida dos pacientes.

Os medicamentos anti-inflamatórios administrados aos pacientes durante a radioterapia podem atenuar a inflamação nos pulmões, chamada pneumonite, mas nem todos os pacientes respondem igualmente bem. Isso ocorre porque o RILI é um distúrbio complexo que varia entre os pacientes e é influenciado por fatores de risco, como idade, estado de câncer de pulmão e outras doenças pulmonares pré-existentes, e provavelmente pela composição genética do paciente. No caso de acidentes nucleares, que normalmente envolvem uma exposição única a doses muito mais elevadas de radiação, ainda não existem contramedidas médicas que possam prevenir e proteger contra danos nos pulmões e outros órgãos, tornando esta uma prioridade fundamental da Administração de Alimentos e Medicamentos dos EUA (FDA).

Um grande obstáculo ao desenvolvimento de uma compreensão muito mais profunda dos processos patológicos desencadeados pela radiação no pulmão e noutros órgãos, que é a base para a descoberta de contramedidas médicas, é a falta de sistemas de modelos experimentais que recapitulem exactamente como os danos ocorrem nas pessoas. Os modelos pré-clínicos de pequenos animais não conseguem produzir características importantes da fisiopatologia humana e não imitam as sensibilidades à dose observadas em humanos. E embora os modelos de primatas não humanos sejam considerados o padrão-ouro para lesões por radiação, eles são escassos, caros e levantam sérias preocupações éticas; eles também não são humanos e às vezes não conseguem prever as respostas observadas quando os medicamentos chegam à clínica.

Agora, uma equipe de pesquisa multidisciplinar do Instituto Wyss de Engenharia Biologicamente Inspirada da Universidade de Harvard e do Hospital Infantil de Boston, liderada pelo Diretor Fundador da Wyss, Donald Ingber, MD, Ph.D., em um projeto financiado pela FDA, desenvolveu um humano em vitro modelo que imita de perto as complexidades do RILI e a sensibilidade à dose de radiação do pulmão humano. Os alvéolos pulmonares são pequenos sacos de ar onde o oxigênio e o CO₂ ocorre a troca entre o pulmão e o sangue, sendo o principal local da pneumonite por radiação. Usando um chip de alvéolo pulmonar microfluídico humano previamente desenvolvido, revestido por células epiteliais alveolares do pulmão humano em interface com células capilares do pulmão para recriar a interface alvéolo-capilar em vitro, os pesquisadores recapitularam muitas das características do RILI, incluindo danos ao DNA induzidos por radiação no tecido pulmonar, alterações específicas de células na expressão genética, inflamação e lesões nas células epiteliais do pulmão e nas células endoteliais do revestimento dos vasos sanguíneos. Ao avaliar também o potencial de dois medicamentos para suprimir os efeitos da RILI aguda, os pesquisadores demonstraram as capacidades de seu modelo como uma plataforma de descoberta de medicamentos avançada, relevante para o ser humano e pré-clínica. As descobertas são publicadas em Comunicações da Natureza.

“Formar uma melhor compreensão de como ocorrem as lesões por radiação e encontrar novas estratégias para tratá-las e preveni-las representa um desafio multifacetado que, face às ameaças nucleares e às realidades das atuais terapias contra o cancro, necessita de soluções inteiramente novas”, disse Ingber. “O modelo Lung Chip que desenvolvemos para recapitular o desenvolvimento do RILI aproveita nossa extensa experiência em cultura microfluídica de Organ Chip e, em combinação com novas ferramentas analíticas e computacionais de descoberta de medicamentos e biomarcadores, nos dá novas e poderosas incursões neste problema.” Ingber também é o Judah Folkman Professor de Biologia Vascular na Harvard Medical School e no Boston Children’s Hospital, e no Hansjörg Wyss Professor de Engenharia Bioinspirada na Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas de Harvard John A. Paulson.

Humano avançado em vitro modelo de RILI

O Lung Alveolus Chip humano é um sistema de cultura microfluídica de 2 canais no qual células epiteliais alveolares pulmonares humanas primárias são cultivadas em um canal onde são expostas ao ar como estariam no pulmão. Eles também fazem interface através de uma membrana porosa com células endoteliais capilares pulmonares humanas primárias no canal paralelo que são constantemente perfundidas com um meio nutriente semelhante ao sangue que contém células imunes humanas circulantes, o que também pode contribuir para as respostas à radiação. Essa interface alvéolo-capilar, cuidadosamente projetada e imunologicamente ativa, também experimenta movimentos mecânicos cíclicos que imitam movimentos respiratórios reais. É importante ressaltar que este Lung Chip vivo e respiratório pode ser exposto transitoriamente a doses de radiação clinicamente relevantes e, em seguida, investigado quanto aos efeitos durante um longo período de tempo.

Quando o Lung Alveolus Chip foi exposto a doses crescentes de radiação, as respostas em nível de célula, tecido e órgão modeladas no chip se alinharam estreitamente com as observações clínicas e, mais importante, ofereceram novos insights sobre o RILI. Após um tratamento de radiação único, a equipe pôde observar quebras nos cromossomos das células com ativação de máquinas de reparo de DNA associadas, cujos números aumentaram com a quantidade de radiação aplicada ao chip do alvéolo pulmonar. Isto foi acompanhado por níveis aumentados de espécies reativas de oxigênio que também danificam o DNA, bem como muitos outros tipos de moléculas. As células começaram a aumentar de tamanho, um fenômeno conhecido como hipertrofia, comumente observado em lesões alveolares. na Vivoa barreira composta por células endoteliais e epiteliais compactadas começou a quebrar e o líquido fluiu através do canal endotelial acumulado no canal epitelial.

“Curiosamente, mapeamos os níveis de múltiplas citocinas pró-inflamatórias ao longo de um curso de sete dias após o tratamento de radiação, o que é especialmente importante para avaliar a lesão causada pela radiação no pulmão. Os sintomas de RILI em pacientes só começam a aparecer após uma semana após a exposição , mas a inflamação anterior não pode ser capturada em pacientes “, disse a primeira autora Queeny Dasgupta, Ph.D., que liderou o projeto como pós-doutorado na equipe de Ingber, e agora é cientista na Systemic Bio, uma empresa de sistemas 3D. “Depois que a RILI evidente se manifesta nos pacientes, muitas vezes é tarde demais para resgatar o tecido pulmonar afetado”.

A equipe descobriu que as primeiras citocinas pró-inflamatórias começaram a ser reguladas positivamente já 6 horas após a aplicação de altas doses de radiação, e que seus números e níveis continuaram aumentando até o sétimo dia, o final do período de observação. É importante ressaltar que essa tendência foi muito mais pronunciada nas células endoteliais vasculares do que nas células epiteliais pulmonares. Paralelamente, a lesão celular no chip do alvéolo pulmonar foi revertida nas células epiteliais ao longo do tempo, mas, em contraste, foi sustentada nas células endoteliais, replicando observações clínicas que descobriram que o RILI impactava predominantemente o endotélio vascular nos alvéolos.

Da lesão por radiação aos genes e aos alvos

Para compreender de forma mais sistemática as alterações celulares desencadeadas pela radiação no Lung Chip e identificar potenciais alvos de medicamentos, os investigadores analisaram os programas completos de expressão genética das células epiteliais e endoteliais ao longo do tempo. Isso permitiu que eles não apenas definissem melhor as respostas inflamatórias em estágio inicial e posterior específicas das células, mas também gerassem dados de expressão gênica de todo o genoma que poderiam alimentar um algoritmo computacional baseado em aprendizado de máquina chamado “Modelo de Rede para Consciência de Causalidade”. Descoberta” (NeMoCAD). O NeMoCAD permitiu anteriormente à equipe de Ingber prever alvos terapêuticos e reaproveitar medicamentos que revertem estados de doenças. A análise levou-os a descobrir um gene chamado HMOX1, que está envolvido numa resposta antioxidante, e cuja expressão foi regulada positivamente imediatamente após a exposição à radiação e permaneceu elevada durante os sete dias de investigação.

“Descobrimos que aumentar ainda mais os níveis de HMOX1 com o medicamento lovastatina no Lung Alveolus Chip reduziu os danos ao DNA e a hipertrofia celular logo após a radiação, de forma semelhante ao medicamento antiinflamatório prednisolona, ​​que usamos como controle positivo. Mais tarde, porém, a lovastatina piorou a ruptura da barreira endotelial. Na verdade, ao derrubar experimentalmente a expressão do HMOX1 durante os estágios posteriores, poderíamos reverter parcialmente seus efeitos adversos posteriores”, explicou Dasgupta. “Isso mostrou que a função do HMOX1 é realmente muito relevante para o desenvolvimento da RILI, mas também sugere que atingir o HMOX1 e talvez alvos relacionados a outros processos potenciais possa exigir uma abordagem terapêutica mais equilibrada”.

O estudo faz parte de uma campanha maior do Instituto Wyss com o objetivo de investigar danos agudos da radiação em vários órgãos e tecidos. O grupo já modelou lesões agudas por radiação em modelos Organ Chip de intestino e medula óssea, e cada um exibiu uma sensibilidade diferente à dose de radiação que correspondia à dos humanos. A equipe de Ingber também especula que os danos causados ​​pela radiação em um órgão também podem afetar a função de outros órgãos e planeja abordar essa possibilidade ligando microfluidicamente diferentes chips de órgãos no futuro. Eles também acham que as hipersensibilidades de pacientes predispostos à radiação por outras doenças pulmonares poderiam ser modeladas em Chips de Alvéolo Pulmonar personalizados.

Outros autores do estudo são membros antigos e atuais da equipe de Ingber, incluindo Amanda Jiang, Amy Wen, Robert Mannix, Yuncheng Man, Sean Hall e Emilia Javorsky. O trabalho foi financiado pela FDA (sob a concessão nº 75F40119C10098) e pelo Wyss Institute da Universidade de Harvard.