哮喘是一種慢性氣道的炎癥性疾病，是由過敏源（如花粉、塵螨、異味等）、運動因素、環境因素、遺傳因素等引起的，并且是一種高度異質的肺部疾病，涉及慢性氣道炎癥、氣流受限、氣道高反應性引起氣道壁增厚和纖維化，導致氣道重塑。目前尚無治愈哮喘的方法，該疾病的大多數藥物治療可以主要控制炎癥癥狀，而氣道中的纖維化病變在很大程度上是不可逆的。

參與氣道纖維化的主要效應細胞是成纖維細胞，主要負責合成和分泌肺部細胞外基質（ECM）。在哮喘的病理生物學中，在暴露于過敏原后，成纖維細胞對受損氣道上皮細胞釋放的各種介質（例如細胞因子、趨化因子）產生反應。這些上皮細胞因子還會募集不同的免疫細胞，如嗜酸性粒細胞、肥大細胞和 TH2細胞，然后與成纖維細胞通信以增加各種哮喘特征的誘導。研究已經指出了成纖維細胞在不同肺部疾病（如哮喘）的各種機制方面與免疫細胞潛在溝通的能力。

為了評估免疫細胞和成纖維細胞如何相互作用，研究人員利用了大量復雜的3D體外模型。使用的各種模型范圍從簡單的共培養實驗到更復雜的3D培養和微流控芯片系統。在這些系統中，將成纖維細胞與各種免疫細胞共培養，可以研究肺成纖維細胞與免疫細胞串擾的特定機制。這反過來又促進了針對性治療和藥物研究的進展，以減少疾病癥狀，并最終有助于找到治療哮喘的方法。
在不列顛哥倫比亞大學生物學系、溫哥華圣保羅醫院心肺創新中心研究團隊的一項綜述中，首次提供了使用復雜3D體外共培養模型來評估肺免疫細胞-成纖維細胞相互作用的研究總結，以及這些相互作用如何促進哮喘各種特征的機制。相關內容發表在 Frontiers in Immunology  期刊題為“Understanding fibroblast-immune cell interactions via co-culture models and their role in asthma pathogenesis”。 目前，有不同類型的復雜體外模型用于專門模擬哮喘患者和健康個體體內肺環境中成纖維細胞-免疫細胞相互作用的三維空間方向。其中，最簡單的是條件培養基（CM）暴露模型（圖1 A），免疫細胞和成纖維細胞作為單層分別培養，收獲無細胞碎片的培養基并與另一種細胞類型一起孵育。這可以評估從兩種細胞類型釋放的可溶性介質如何影響彼此的表型。

此外，根據研究目的和評估的細胞-細胞相互作用，不同的研究也使用了2D共培養的各種變體。其中包括共培養模型，將成纖維細胞和免疫細胞混合并放置在底部有培養基的通透性插入式Transwell小室中共同培養（圖1 B）。其他變體包括將成纖維細胞培養在具有通透性的Transwell培養小室中，免疫細胞直接培養在培養板下室（圖1 C），或者將免疫細胞培養在懸掛的Transwell小室下方的培養孔表面上。在共培養實驗中，成纖維細胞和免疫細胞的位置是可以互換的，這取決于正在研究的是哪種免疫細胞-成纖維細胞相互作用。

通過添加3D水凝膠（如I型膠原蛋白-凝膠），可以進一步改進共培養模型，以更接近于模擬肺部微環境的3D組織取向和結構。I型膠原凝膠包裹的肺成纖維細胞已被用于研究免疫細胞與成纖維細胞的相互作用，方法是將免疫細胞和成纖維細胞共包裹在I型膠原凝膠中（圖1 D），在成纖維細胞包裹的膠原凝膠上播種免疫細胞（圖1 E），或將免疫細胞培養在培養孔中肺成纖維細胞接種的3D I型膠原凝膠上的Transwell小室上（圖1 F）。這些模型有可能在添加不同免疫細胞類型時檢查成纖維細胞-上皮細胞-免疫細胞的相互作用。 （A）條件培養基暴露處理模型。（B）免疫細胞和成纖維細胞在半透性transwell插入物中混合共培養模型。（C）直接共培養模型。（D）3D共培養，其中嵌入水凝膠中的混合免疫細胞和成纖維細胞在半透性跨孔插入物中培養。（E）3D共培養，其中成纖維細胞嵌入水凝膠中，免疫細胞在頂部培養。（F）3D共培養的一種變體，其中免疫細胞在半透性transwell插入物內培養，在該插入物下培養成纖維細胞嵌入的3D水凝膠。

該綜述梳理了大量以往關于免疫細胞和成纖維細胞相互作用的證據，這些研究通過共培養實驗，證明了免疫細胞-成纖維細胞串擾在哮喘性慢性氣道炎癥中的重要性。成纖維細胞-嗜酸性粒細胞、肥大細胞和T 細胞相互作用的一個令人驚訝的共同主題是，這些相互作用主要導致 IL-8 和 IL-6 炎癥，這對中性粒細胞募集和趨化性是很重要的。這是一個重要的發現，似乎模糊了嗜酸性粒細胞/過敏性哮喘和中性粒細胞/非過敏性哮喘之間的界限。這是因為通過串擾研究，很明顯，即使在過敏性哮喘期間，嗜酸性粒細胞、肥大細胞和 T 細胞等細胞與成纖維細胞之間的相互作用似乎也會導致中性粒細胞炎癥。這些發現在簡單的2D培養或動物模型研究中并不明顯。由于IL-6和IL-8（從嗜酸性粒細胞，肥大細胞和T細胞-成纖維細胞串擾中釋放）是關鍵的中性粒細胞趨化因子和激活因子，因此在體外進一步評估中性粒細胞和成纖維細胞之間的相互作用將是有益的。目前缺乏評估哮喘發病機制中中性粒細胞-成纖維細胞相互作用的研究，這可能是由于中性粒細胞培養和維持的固有困難，因為這些細胞需要從血液中新鮮分離以用于實驗。盡管如此，中性粒細胞已成功與氣道上皮細胞共培養，以評估病原體誘導的氣道中跨上皮遷移。這些方法可能會在未來的研究中進行調整，以評估哮喘發病機制中的成纖維細胞-中性粒細胞的串擾。

此外，氣道纖維化是哮喘的一個突出特征，主要是由于ECM蛋白沉積增加以及ECM降解和修復之間的不平衡。最近，成纖維細胞已被證明與免疫細胞相互作用，以增加ECM蛋白的產生和降解。該綜述中列舉的研究證明了成纖維細胞-免疫細胞相互作用對于纖維化的特定特征至關重要。嗜酸性粒細胞-成纖維細胞相互作用涉及TGF-β和MMPs的釋放，引起ECM合成并調節基質周轉。此外，還發現TGF-β釋放對肥大細胞-成纖維細胞相互作用很重要，這些相互作用參與哮喘中過量的ECM產生（例如膠原蛋白-I）。
在這篇綜述中，研究人員對研究成纖維細胞-免疫細胞串擾對哮喘發病機制的貢獻進行了公正的總結，特別強調氣道炎癥和纖維化。除了前面討論的各種體外共培養模型外，還有使用更先進的生物模型的各種應用，包括精確切割的肺切片，微流體肺芯片系統（LOAC）和3D肺生物打印模型，這些模型都正在建立以模擬肺部復雜的3D體內環境，并允許研究兩種以上的細胞類型。這是因為，添加更多的細胞，以及體內環境的其他特征，可以進一步使發現新的可能的藥物靶點成為可能。從所回顧的研究的基礎上，可能會提供新的治療靶點，集中在通過多細胞生物人工模型研究發現的介質上，并可能為哮喘提供新的治療方法。

參考文獻：Thiam F, Yazeedi SA, Feng K, Phogat S, Demirsoy E, Brussow J, Abokor FA, Osei ET. Understanding fibroblast-immune cell interactions via co-culture models and their role in asthma pathogenesis. Front Immunol. 2023 Feb 23;14:1128023. doi: 10.3389/fimmu.2023.1128023. PMID: 36911735; PMCID: PMC9996007.
原文鏈接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/36911735/

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