Le malattie polmonari comprendono una vasta gamma di disturbi che colpiscono il sistema respiratorio, spesso caratterizzati da infiammazione, scambio gassoso compromesso, rimodellamento tissutale e ridotta funzione polmonare. Comprendere i meccanismi cellulari alla base di queste malattie è essenziale per sviluppare terapie mirate. Le cellule polmonari primarie, isolate direttamente dal tessuto polmonare umano o derivate da cellule staminali pluripotenti, forniscono modelli fisiologicamente rilevanti che imitano da vicino l'ambiente polmonare in vivo, offrendo approfondimenti cruciali sulla patogenesi delle malattie e le risposte terapeutiche.
Tipi di cellule polmonari primarie e i loro ruoli
Il sistema respiratorio comprende diversi tipi di cellule primarie, tra cui cellule epiteliali delle vie aeree (basali, caliciformi, ciliate), cellule epiteliali alveolari (tipo I e II), fibroblasti polmonari, cellule muscolari lisce, cellule endoteliali e diverse cellule immunitarie, come macrofagi alveolari e interstiziali. Le cellule basali delle vie aeree fungono da progenitrici critiche per la rigenerazione dell'epitelio delle vie aeree e sono implicate nella patologia della broncopneumopatia cronica ostruttiva (BPCO), mostrando eterogeneità molecolare e profili di espressione genica alterati negli stati patologici. Le cellule epiteliali alveolari tipo II (AT2), responsabili della produzione di surfattante e della riparazione alveolare, possono essere coltivate come organoidi che modellano la rigenerazione polmonare e i processi patologici, inclusa la fibrosi e le infezioni virali come SARS-CoV-2.
I macrofagi nei polmoni, inclusi i macrofagi alveolari residenti (AM) e i macrofagi interstiziali (IM), svolgono un ruolo fondamentale nel mantenere l'omeostasi polmonare e mediare le risposte immunitarie. Queste cellule mostrano ontogenesi distinta, profili trascrizionali e funzioni, adattandosi dinamicamente durante l'infiammazione e l'infezione. Gli AM regolano il turnover del surfattante e difendono contro i patogeni, ma possono contribuire alla progressione della malattia quando sono disfunzionali.
Progressi nella modellizzazione delle malattie polmonari usando cellule primarie
I recenti progressi nella biologia delle cellule staminali hanno reso possibile la generazione di organoidi polmonari da cellule staminali pluripotenti umane (PSC), comprese le cellule staminali embrionali (ESC) e le cellule staminali pluripotenti indotte (iPSC). Questi modelli organoidi 3D ricapitolano lo sviluppo e l'architettura del polmone, comprendendo più tipi di cellule epiteliali e mesenchimali, e servono come potenti piattaforme per lo studio delle malattie polmonari e il test di terapie. I protocolli che coinvolgono la modulazione sequenziale delle vie di segnalazione (es. TGF-β, BMP, Wnt, FGF) guidano la differenziazione delle PSC in precursori polmonari e cellule epiteliali mature, consentendo la modellizzazione di malattie come la fibrosi cistica, la fibrosi polmonare e le malattie infettive.
Le cellule polmonari primarie e gli organoidi facilitano lo studio delle interazioni cellulari, delle risposte immunitarie e dei meccanismi rigenerativi in condizioni patologiche. Ad esempio, la stimolazione con citochine degli organoidi polmonari ha chiarito il ruolo di IL-1β nella differenziazione delle cellule epiteliali alveolari e nella fibrosi, evidenziando potenziali obiettivi terapeutici. Inoltre, le cellule basali primarie delle vie aeree dei pazienti con BPCO rivelano cambiamenti nell'espressione genica legati alle risposte allo stress e all'ipossia, sottolineando la loro rilevanza nella progressione della malattia e nella capacità rigenerativa.