Para peneliti merancang kultur hidrogel 3D baru untuk mempelajari infeksi dan pengobatan TBC

Para peneliti dari Departemen Bioteknologi (BE), Institut Sains India (IISc), telah merancang sistem kultur hidrogel 3D baru yang meniru lingkungan paru-paru mamalia. Ini memberikan platform yang kuat untuk melacak dan mempelajari bagaimana bakteri TBC menginfeksi sel paru-paru dan menguji kemanjuran terapi yang digunakan untuk mengobati TBC.

Mycobacterium tuberkulosis (Mtb) adalah patogen berbahaya. Pada tahun 2022, penyakit ini berdampak pada 10,6 juta orang dan menyebabkan 1,3 juta kematian, menurut WHO.

“Ini adalah virus yang sudah sangat tua, dan sudah cukup banyak berevolusi bersama kita,” kata Rachit Agarwal, Associate Professor di BE dan penulis studi yang dipublikasikan di Materi Perawatan Kesehatan Tingkat Lanjut. Mtb terutama menginfeksi paru-paru.

Model kultur yang saat ini digunakan untuk mempelajari infeksi Mtb memiliki beberapa keterbatasan. Biasanya berupa pelat kultur yang berlapis tunggal dan tidak secara akurat meniru lingkungan mikro 3D di dalam paru-paru. Lingkungan mikro yang dialami oleh sel-sel dalam kultur 2D tersebut sangat berbeda dari matriks ekstraseluler (ECM) sebenarnya yang mengelilinginya. jaringan paru-paru.

“Dalam pelat kultur jaringan, tidak ada molekul ECM, dan bahkan jika lapisan ECM yang sangat tipis dilapisi pada pelat ini, sel paru-paru paling baik 'melihat' ECM pada satu sisi,” jelas Vishal Gupta, Ph.D. . mahasiswa di BE dan penulis pertama.

Pelat kultur 2D juga sangat keras dibandingkan dengan jaringan lunak paru-paru. “Anda sedang melihat batu versus bantal,” jelas Agarwal.

Dia dan timnya kini telah merancang 3D baru hidrogel kultur yang terbuat dari kolagen, molekul kunci yang ada di ECM sel paru-paru. Kolagen larut dalam air pada pH sedikit asam. Ketika pH meningkat, kolagen membentuk fibril yang berikatan silang membentuk struktur 3D seperti gel.

Pada saat pembentukan gel, para peneliti menambahkan makrofag manusia—sel imun terlibat dalam melawan infeksi—bersama dengan Mtb. Hal ini menjebak makrofag dan bakteri di dalam kolagen dan memungkinkan para peneliti melacak bagaimana bakteri menginfeksi makrofag.

Tim melacak perkembangan infeksi selama dua hingga tiga minggu. Yang mengejutkan adalah sel-sel mamalia dapat bertahan selama tiga minggu di dalam hidrogel—kultur yang ada saat ini hanya mampu bertahan selama empat hingga tujuh hari. “Hal ini membuatnya lebih menarik karena Mtb adalah patogen yang tumbuh sangat lambat di dalam tubuh,” kata Agarwal.

Selanjutnya, para peneliti melakukan pengurutan RNA pada sel paru-paru yang tumbuh di hidrogel, dan menemukan bahwa mereka lebih mirip dengan sampel manusia sebenarnya, dibandingkan dengan sistem budaya tradisional.

Tim tersebut juga menguji efek pirazinamid—salah satu dari empat obat yang paling umum diberikan kepada pasien TBC. Mereka menemukan bahwa bahkan sejumlah kecil obat (10 µg/ml) sudah cukup efektif dalam membersihkan Mtb dalam kultur hidrogel. Sebelumnya, para ilmuwan harus menggunakan obat dalam dosis besar—jauh lebih tinggi dibandingkan konsentrasi yang dicapai pada pasien—untuk menunjukkan bahwa obat tersebut efektif dalam kultur jaringan.

“Belum ada yang menunjukkan bahwa obat ini bekerja dalam dosis yang relevan secara klinis dalam sistem kultur apa pun… Penyiapan kami memperkuat fakta bahwa hidrogel 3D meniru infeksi dengan lebih baik,” jelas Agarwal.

Agarwal menambahkan bahwa mereka telah mengajukan paten India untuk budaya 3D mereka, yang dapat ditingkatkan oleh industri dan digunakan untuk pengujian dan penemuan obat. “Idenya adalah untuk membuatnya tetap sederhana sehingga peneliti lain dapat menirunya,” tambahnya.

Ke depan, para peneliti berencana untuk meniru granuloma—kelompok orang yang terinfeksi sel darah putih—dalam kultur hidrogel 3D mereka untuk menyelidiki mengapa beberapa orang menderita TBC laten, sementara yang lain menunjukkan gejala agresif.

Gupta mengatakan bahwa tim juga tertarik untuk memahami mekanisme kerja pirazinamid, yang dapat membantu menemukan obat baru yang lebih atau sama efisiennya.