Механические движения легких управляют ответом врожденного иммунитета на вирусные инфекции

Врожденный иммунитет в легких — первая линия защиты организма против вирусных инфекций. Однако биологические эффекты дыхательных движений плохо изучены помимо насыщения кислородом. Ранее их связывали с активацией нейтрофилов, моноцитов и макрофагов, но как связаны движения на органном уровне с ответом на инфекцию, было неизвестно, во многом потому, что отсутствовали экспериментальные модели, которые могли бы имитировать структуры человеческого легкого и его движения.

Ученые из США оптимизировали альвеолярный орган-на-чипе, чтобы смоделировать заражение легких вирусом гриппа и проверить, как механические дыхательные движения повлияют на иммунный ответ тканей. Для этого использовали микрофлюидное устройство с двумя параллельными каналами, которые отделены друг от друга эпителиальными альвеолярными клетками на наружней поверхности и эндотелиальными клетками микрососудов легких на внутренней. Получившийся орган-на-чипе подвергался цикличным механическим изменениям формы (5% циклической деформации при частоте 0,25 Герц), чтобы имитировать дыхание человека.

Авторы оценили экспрессию генов в клетках модели и показали, устройство во многом повторяет процессы созревания альвеолярно-капиллярной поверхности, которая необходима для нормального развития альвеол легкого. Соотношение двух типов альвеолярных клеток (ATII и ATI) в ткани составило 55:45.

Затем исследователи определили, как альвеолярный чип реагирует на инфекцию вирусом гриппа А. Известно, что вирус H3N2 в основном нацелен на клетки типа ATII. После заражения экспрессия белка-маркера на поверхности клеток сократилась на 90%. Схожие результаты наблюдались и ранее при заражении SARS-CoV-2. Потеря ATII клеток привела к снижению проницаемости легких, а также увеличению доли апоптотических клеток на 25%. Инфекция вирусом гриппа заставила клетки выделять значительные количества цитокинов (IL-6, IL-8, IP-10, TNF, GM-CSF). Кроме того, повысилась экспрессия генов, связанных с защитой от вирусной инфекции.

Ученые также доставили смесь моноцитов, Т- и В-клеток по каналу чипа в ткань и отметили, что все иммунные клетки смогли прикрепиться к эндотелию и мигрировать к эпителию. Миграция этих клеток вызвала рост уровня цитокинов. Таким образом, модель хорошо передала особенности иммунного ответа человеческого легкого.

Далее исследователи проверили, как повторяющиеся механические движения влияют на развитие респираторных инфекций. Для этого альвеолярные чипы заражали H3N2 и H5N1 вирусами гриппа на 15 день культивации. Оказалось, что клетки в чипах, которые совершали механические движения, значительно подавляли вирусную инфекцию по сравнению со статичными моделями. Механическая нагрузка способствовала повышению экспрессии противовирусных генов, связанных с сигнальными путями иммунного ответа. При этом двукратное увеличение механической нагрузки усиливало этот эффект.

Также авторы работы описали механизм, благодаря которому дыхательные движения способствуют иммунному ответу. РНК-секвенирование показало, что S100 связывающий кальций белок А7 (S100A7) больше всего отличался по уровню экспрессии в подвижных чипах по сравнению со статичными, как в эндотелиальных, так и эпителиальных клетках. S100A7 — лиганд RAGE-рецепторов, которые опосредуют многие физиологические функции клеток. Оверэкспрессия S100A7 влияла на гены, вовлеченные в работу врожденного иммунитета. В свою очередь, экспрессия самого гена S100A7 зависела от сигналов, которые производит механочувствительный ионный канал TRPV4. TRPV4 генерирует поток ионов в ответ на механическую деформацию клеточной мембраны. Известно, что каналы этой группы участвуют в различных клеточных процессах, в том числе запуске иммунного ответа. Когда ученые заблокировали TRPV4 соответствующим ингибитором, повышенная экспрессия S100A7 была подавлена, и снизился уровень интерлейкинов 6 и 8.

Экспрессия гена S100A7 была также повышена в клетках альвеолярного чипа после инфекцией вирусом гриппа. Исследователи проверили, помогут ли ингибиторы RAGE-рецепторов подавить ответ врожденного иммунитета на вирусную инфекцию. Спустя два часа после заражения в чипы доставляли ингибитор азелирагон. Это помогло значительно снизить уровень цитокинов (IL-6, IL-8, IP-10). Препарат ранее был показан как безопасное, но неэффективное средство против болезни Альцгеймера. Ученые предположили, что азелирагон и другие ингибиторы RAGE-рецепторов могут стать потенциальными терапевтическими соединениями для подавления вредящих организму воспалительных реакций.

Таким образом, ученые описали механизм, согласно которому дыхательные движения напрямую влияют на защитные функции врожденного иммунитета в легких, а также предложили потенциальную терапию опасных воспалительных реакций.