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Modeling pulmonary cystic fibrosis in a human lung airway-on-a-chip

囊性纤维化 粘液纤毛清除率 医学 粘液 气道 肺 囊性纤维化跨膜传导调节器 免疫学 病理 生物 内科学 生态学 外科
作者
Roberto Plebani,Ratnakar Potla,Mercy Soong,Haiqing Bai,Zohreh Izadifar,Amanda R. Jiang,Renee N. Travis,Chaitra Belgur,Alexandre Dinis,Mark J. Cartwright,Rachelle Prantil‐Baun,Pawan Jolly,Sarah E. Gilpin,Mario Romano,Donald E. Ingber
出处
期刊:Journal of Cystic Fibrosis [Elsevier BV]
卷期号:21 (4): 606-615 被引量:156
标识
DOI:10.1016/j.jcf.2021.10.004
摘要

Abstract

Background

Cystic fibrosis (CF) is a genetic disease caused by mutations in the gene encoding the cystic fibrosis transmembrane conductance regulator (CFTR), which results in impaired airway mucociliary clearance, inflammation, infection, and respiratory insufficiency. The development of new therapeutics for CF are limited by the lack of reliable preclinical models that recapitulate the structural, immunological, and bioelectrical features of human CF lungs.

Methods

We leveraged organ-on-a-chip technology to develop a microfluidic device lined by primary human CF bronchial epithelial cells grown under an air-liquid interface and interfaced with pulmonary microvascular endothelial cells (CF Airway Chip) exposed to fluid flow. The responses of CF and healthy Airway Chips were analyzed in the presence or absence of polymorphonuclear leukocytes (PMNs) and the bacterial pathogen, Pseudomonas aeruginosa.

Results

The CF Airway Chip faithfully recapitulated many features of the human CF airways, including enhanced mucus accumulation, increased cilia density, and a higher ciliary beating frequency compared to chips lined by healthy bronchial epithelial cells. The CF chips also secreted higher levels of IL-8, which was accompanied by enhanced PMN adhesion to the endothelium and transmigration into the airway compartment. In addition, CF Airway Chips provided a more favorable environment for Pseudomonas aeruginosa growth, which resulted in enhanced secretion of inflammatory cytokines and recruitment of PMNs to the airway.

Conclusions

The human CF Airway Chip may provide a valuable preclinical tool for pathophysiology studies as well as for drug testing and personalized medicine.
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