Untersuchung der frühen Signalwege des angeborenen Immunsystems bei Tuberkulose mithilfe modernster mikrophysiologischer Modelle

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Verbesserung eines „Lung-on-Chip“-Modells zur Untersuchung früher Ereignisse bei Tuberkulose und zur Simulation der pulmonalen Wirkstoffabgabe

Tuberkulose (TB) ist nach wie vor eine der tödlichsten Infektionskrankheiten weltweit und fordert jedes Jahr über 1,2 Millionen Todesopfer. Dennoch wissen wir überraschend wenig über die allerersten Momente der Infektion, wenn das TB-Bakterium tief in der Lunge ankommt und auf unsere Immunzellen trifft. Die Untersuchung dieser Vorgänge an lebenden Patienten ist unmöglich, und Tiermodelle geben nicht originalgetreu wieder, was in der menschlichen Lunge geschieht. Um dieses Problem zu lösen, hat unser Labor an der Medizinischen Fakultät der Universität Heidelberg in den letzten 18 Monaten ein von uns entwickeltes „Lung-on-Chip“-Modell weiterentwickelt. Dieses winzige Gerät, etwa so groß wie ein USB-Stick, bildet mithilfe lebender menschlicher Zellen die wesentlichen Merkmale der tiefsten Lungenbläschen der menschlichen Lunge nach. Das Gerät ist optisch transparent, sodass wir die zellulären Interaktionen in Echtzeit unter dem Mikroskop beobachten können.

Eine zentrale Herausforderung, der wir uns gestellt haben, bestand darin, den richtigen Typ von Immunzellen zu erzeugen und in das Modell zu integrieren. Die Lunge enthält spezialisierte Wächter, sogenannte Alveolarmakrophagen, die als erste Verteidiger auf eingeatmete Bakterien treffen. Normale, im Labor gezüchtete Immunzellen verhalten sich nicht wie diese in der Lunge ansässigen Zellen.

Wir haben eine Methode entwickelt, mit der sich Zellen aus dem Blut menschlicher Spender in Zellen umwandeln lassen, die echten Alveolarmakrophagen sehr ähnlich sind. Wir haben dies bestätigt, indem wir analysiert haben, welche Gene sie aktivieren, und indem wir gezeigt haben, dass sie – genau wie ihre natürlichen Gegenstücke – einen dünnen, öligen Film, das sogenannte Lungensurfaktant, aufnehmen, der unsere Atemwege auskleidet. Diese „alveolarmakrophagenähnlichen“ Zellen konnten erfolgreich in den „Lung-on-Chip“ integriert werden, wo sie auf den Epithelzellen, die die Lunge auskleiden, sowie auf den Blutgefäßzellen sitzen. Diese Zell-Co-Kultur kann Dehnungsbewegungen, die dem Atmen ähneln, sowie einer Luft-Flüssigkeits-Grenzfläche ausgesetzt werden – ganz ähnlich wie in einer echten Lunge.

Mit diesem verbesserten Modell gingen wir einer Frage mit direkter klinischer Relevanz nach: Können wir Medikamente effektiver in die Lunge bringen, indem wir den natürlichen Surfactant-Film nutzen? Im realen Leben müssen inhalierte Medikamente entlang dieser Surfactant-Schicht wandern, um die tiefsten Bereiche der Lunge zu erreichen. Bei Standard-Laborverfahren werden die Zellen einfach mit in Flüssigkeit gelösten Molekülen überflutet, was in keiner Weise der Art und Weise entspricht, wie Zellen in den Atemwegen Fremdstoffen ausgesetzt sind. Wir haben eine Technik angepasst, bei der eine kleine Papierbrücke verwendet wird, um den natürlichen Transport von Wirkstoffen entlang des Tensidfilms in unseren Chip nachzubilden. Die Ergebnisse waren beeindruckend: Auf diese Weise verabreichte Wirkstoffe gelangten überwiegend in das Innere der Makrophagen, wurden dort zurückgehalten und blieben deutlich länger aktiv. Im Gegensatz dazu lagerte sich bei der herkömmlichen Flüssigkeitsmethode der Wirkstoff hauptsächlich in den Lungenepithelzellen unterhalb der Makrophagen ab, die den Wirkstoff schnell wieder abtransportierten.

In einem praktischen Versuch konnten wir zeigen, dass das TB-Antibiotikum Bedaquilin, das über den Tensidfilm verabreicht wurde, das Bakterienwachstum nach der Behandlung mindestens zwei Tage lang verhindern konnte. Dieser „Proof-of-Concept“ legt nahe, dass speziell formulierte inhalative Antibiotika eines Tages

Medikamente direkt an infizierte Zellen in der Lunge abgeben könnten, wodurch sich die hohe Tablettenlast und die Nebenwirkungen, unter denen TB-Patienten derzeit während der monatelangen Behandlung leiden, möglicherweise verringern ließen.

Unsere Arbeit hat zudem gezeigt, dass alveoläre makrophagenähnliche Zellen anfälliger für eine TB-Infektion sind als herkömmliche, im Labor gezüchtete Immunzellen und mit einem Genaktivierungsmuster reagieren, das dem in vivo bekannten Muster entspricht. Dies bestätigt unser Modell als realitätsnahere Nachbildung der menschlichen Lunge. Wir haben diese Ergebnisse in einem Manuskript veröffentlicht, das derzeit dem Peer-Review-Verfahren unterzogen wird. In den letzten Monaten des Projekts untersuchen wir, wie weitere Immunzellen, darunter Eosinophile – eine weitere Art von Immunzellen, die kürzlich mit der TB-Abwehr in Verbindung gebracht wurde –, mit infizierten Makrophagen interagieren. Erste Daten zeigen, dass sie dazu beitragen können, das Bakterienwachstum einzudämmen, und wir arbeiten daran, die dahinterstehenden Mechanismen zu verstehen. Insgesamt hat dieses Projekt ein neues, realistischeres Labormodell der menschlichen Lunge hervorgebracht, das zur Untersuchung der frühesten Stadien einer TB-Infektion und zur Entwicklung besserer Strategien für die Verabreichung inhalativer Therapien genutzt werden kann, ohne dass Tierversuche erforderlich sind.

Veröffentlichungen

C Garcia-Mouton, R Mishra, K Sharma, T Nass, M Sommers, J Perez-Gil&, VV Thacker&. Vehiculation and functional delivery of lipophilic therapeutics and antibiotics via pulmonary surfactant in a lung-on-chip model. (&senior, corresponding author), doi: 10.64898/2025.12.18.695116