Airway muscle-on-a-chip "simulerar astma hos människor"


Airway muscle-on-a-chip

Forskare från Harvard University i Cambridge, MA, har utvecklat en modell som de säger exakt simulerar muskelkontraktion i den mänskliga luftvägen, vilket ger ett verktyg för att testa nya droger för att behandla astma.

Forskare säger att deras luftvägsmuskel-på-ett-chip effektivt efterliknar muskelkontraktion i den mänskliga luftvägen, och erbjuder ett verktyg för att testa nya droger för att behandla astma.

Bildkredit: Wyss Institute och Harvard SEAS

Forskargruppen, ledd av Alexander Peyton Nesmith, en student vid School of Engineering and Applied Sciences i Harvard, publicerar detaljerna om deras skapande i tidskriften Lab på en Chip .

Astma påverkar mer än 300 miljoner människor världen över och ansvarar för cirka 250 000 dödsfall varje år. Det är också en ledande orsak till akutbesök och sjukhusvistelse bland barn.

Det finns ett antal mediciner som kan hjälpa astmatiker att hantera sitt tillstånd, såsom inhalerade kortikosteroider och beta-agonister. Men enligt forskarna är många av dessa läkemedel mer än 50 år gamla. Under de senaste 30 åren har Food and Drug Administration (FDA) bara godkänt två nya droger för att behandla astma.

"Tyvärr är många patienter resistenta mot dessa behandlingar och har större risk för exacerbation, säger forskarna." Detta föreslår ett framväxande behov av att påskynda rörledningen för upptäckt och validering av luftvägsdroger."

Nesmith och hans lagantecknin är dock att det är utmanande att hitta nya behandlingar för astma. Nya läkemedelskandidater testas vanligen i djurmodeller, men dessa modeller kanske inte efterliknar mänskliga svar så att drogerna ofta misslyckas i kliniska prövningar. Dessutom, eftersom sjukdomen är specifik för varje patient, kan behandlingar som arbetar för en individ kanske inte nödvändigtvis fungera för en annan.

"Därför", säger forskarna, "vi försökte utveckla en robust, funktionell, mänsklig relevant modell som kan användas för att screena nya terapier mot astma."

Ett "enkelt, pålitligt och direkt sätt" för att mäta mänskligt svar på astma triggers

Den mänskliga luftvägen består av lager av glattmuskel som kontrakt och slappnar av för att minska, sedan öka dess diameter.

  • Astma påverkar 1 av 12 personer i USA
  • År 2008 hade mer än 50% astmaattacker
  • Mellan 2008 och 2010 var astmautbredningen högre bland barn än vuxna.

Läs mer om astma

Teamet byggde vad de beskriver som ett "luftvägsmuskulärt chip" monterat på ett glasunderlag.

Chipet består av mänskliga bronkiala glatta muskelformiga tunna filmer (bMTFs). Dessa består av ett bottenskikt av elastisk polymerpolydimetylsiloxan (PDMS) och ett topplager av mekanisk bronkialglattmuskel. "När muskelskiktet träffas böjer bMTF, vilket minskar krökningsradiens radie," förklarar forskarna.

För att testa modellens effektivitet introducerade de ett protein som heter interleukin-13 (IL-13), som vanligtvis finns i luftväg hos patienter med astma. Det är känt att utlösa glattmuskelens svar på allergener. Teamet tillsatte sedan en neurotransmittor som kallades acetylkolin, vilket medför sammandragning av glattmuskel för att framkalla ett allergiskt svar.

De fann att höga doser acetylkolin orsakade luftvägsmuskeln på chipet till hyperkontrakt. När laget introducerade beta-agonister till chipet - används i inhalatorer för att minska luftvägsinflammation - avslappnade luftvägsmuskeln.

Forskarna noterar att de kunde mäta muskelvävnadens kontraktil stress som svar på olika läkemedelsdoser. "Vårt chip erbjuder ett enkelt, pålitligt och direkt sätt att mäta mänskliga svar på astma-utlösare, säger Nesmith.

Undersökning av cell- och proteinreaktioner på IL-13

Enligt forskarna är förtjockningen av den bronkiala glattmuskeln i luftvägsvägen en strukturell egenskap hos astma, vilket orsakar att luftvägen smalnar. Med hjälp av muskelspiralen i luftvägarna ville laget se om IL-13 inducerade ett sådant svar på cellulär nivå.

De fann att IL-13 orsakade en utvidgning i glattmuskelceller, och dessutom modifierade organisationen av aktinfibrer i dessa celler - cellulära komponenter som spelar roll i muskelkontraktion.

Teamet ville sedan se hur IL-13 modifierade uttrycket av RhoA-proteiner. Tidigare forskning har visat att dessa proteiner är inblandade i reglering av bronkial glattmuskelkontraktion, men den underliggande mekanismen har varit oklart.

Efter att ha introducerat ett läkemedel som riktar sig mot RhoA-vägen, kallad HA1077, fann forskarna att det gjorde vävnaden på det chip som utsattes för IL-13 mindre känslig för astma triggers. "Detta resultat indikerar HA1077 minskar basaltonen hos vår konstruerade bronkial Slät muskelvävnad och förhindrar hyperkontraktion ", förklarar laget.

Ytterligare undersökning avslöjade att HA1077 kombinerat med ett redan existerande astmaläkemedel, isoproterenol, var mer effektivt för att minska responsen på astma triggers än isoproterenol enbart. Det betyder att luftvägsmuskulärchipan redan har visat ett löfte för att identifiera en potentiell ny astmabehandling.

Kommenterar lagets skapande, säger Donald Ingber, professor eller bioteknik vid Harvards tekniska högskola och grundforskare vid Wyss-institutet vid universitetet:

Astma är en av de främsta orsakerna till resor till akutrummet, särskilt för barn, och ett stort segment av astmatiska befolkningen svarar inte på aktuella behandlingar.

Airway-muskel-on-a-chip ger ett viktigt och spännande nytt verktyg för att upptäcka nya terapeutiska medel."

Medical-Diag.com Nyligen rapporterad om en studie som beskriver skapandet av en elektronisk näsa som forskare säger kan upptäcka astma-subtyper hos barn.

What Is Restrictive Airway Disease? (Video Medicinsk Och Professionell 2020).

Avsnitt Frågor På Medicin: Sjukdom