As asthma worsens, occlusion of airways with mucus significantly contributes to airflow obstruction and reduced lung function. Recent evidence from clinical studies has shown mucus obtained from adults and children with asthma possesses altered mucin composition. However, how these changes alter the functional properties of the mucus gel is not yet fully understood. To study this, we have engineered a synthetic mucus biomaterial to closely mimic the properties of native mucus in health and disease. We demonstrate this model possesses comparable biophysical and transport properties to native mucus ex vivo collected from human subjects and in vitro isolated from human airway epithelial (HAE) tissue cultures. We found by systematically varying mucin composition that mucus gel viscoelasticity is enhanced when predominantly composed of mucin 5AC (MUC5AC), as is observed in asthma. As a result, asthma-like synthetic mucus gels are more slowly transported on the surface of HAE tissue cultures and at a similar rate to native mucus produced by HAE cultures stimulated with the type 2 cytokine IL-13, known to contribute to airway inflammation and MUC5AC hypersecretion in asthma. We also discovered the barrier function of asthma-like synthetic mucus towards influenza A virus was impaired as evidenced by the increased frequency of infection in MUC5AC-rich hydrogel coated HAE cultures. Together, this work establishes a biomaterial-based approach to understand airway dysfunction in asthma and related muco-obstructive lung diseases.

中文翻译：

---

使用合成粘液生物材料模拟哮喘气道功能障碍

随着哮喘的恶化，粘液对呼吸道的阻塞会明显导致气流阻塞和肺功能下降。来自临床研究的最新证据表明，从成年人和患有哮喘的儿童获得的粘液具有改变的粘蛋白组成。但是，这些变化如何改变粘液凝胶的功能特性尚不完全清楚。为了研究这一点，我们设计了一种合成粘液生物材料来密切模仿天然粘液在健康和疾病中的特性。我们证明了该模型具有可比的生物物理和运输特性，与从人类受试者体内收集的天然粘液具有可比性，并在体外从人气道上皮（HAE）组织培养物中分离得到。我们发现，通过系统地改变粘蛋白成分，主要由粘蛋白5AC（MUC5AC）组成的粘液凝胶粘弹性会增强，如在哮喘中观察到的那样。结果，类似哮喘的合成粘液凝胶在HAE组织培养物表面上的运输速度更慢，且速率与由2型细胞因子IL-13刺激的HAE培养物产生的天然粘液相似，已知该粘液会导致气道炎症和炎症。哮喘中的MUC5AC分泌过多。我们还发现，富含MUC5AC的水凝胶包被的HAE培养物中感染频率的增加证明了哮喘样合成粘液对A型流感病毒的屏障功能受到损害。总之，这项工作建立了一种基于生物材料的方法来了解哮喘和相关的粘膜阻塞性肺疾病中的气道功能障碍。结果，类似哮喘的合成粘液凝胶在HAE组织培养物表面上的运输速度更慢，且速率与由2型细胞因子IL-13刺激的HAE培养物产生的天然粘液相似，已知该粘液会导致气道炎症和炎症。哮喘中的MUC5AC分泌过多。我们还发现，富含MUC5AC的水凝胶包被的HAE培养物中感染频率的增加证明了哮喘样合成粘液对A型流感病毒的屏障功能受到损害。总之，这项工作建立了一种基于生物材料的方法来了解哮喘和相关的粘膜阻塞性肺疾病中的气道功能障碍。结果，类似哮喘的合成粘液凝胶在HAE组织培养物表面上的运输速度更慢，且速率与由2型细胞因子IL-13刺激的HAE培养物产生的天然粘液相似，已知该粘液会导致气道炎症和炎症。哮喘中的MUC5AC分泌过多。我们还发现，富含MUC5AC的水凝胶包被的HAE培养物中感染频率的增加证明了哮喘样合成粘液对A型流感病毒的屏障功能受到损害。总之，这项工作建立了一种基于生物材料的方法来了解哮喘和相关的粘膜阻塞性肺疾病中的气道功能障碍。类似于哮喘的合成粘液凝胶在HAE组织培养物表面上的运输速度较慢，且速率与由2型细胞因子IL-13刺激的HAE培养物产生的天然粘液相似，后者已知会导致哮喘的气道炎症和MUC5AC过度分泌。我们还发现，富含MUC5AC的水凝胶包被的HAE培养物中感染频率的增加证明了哮喘样合成粘液对A型流感病毒的屏障功能受到损害。总之，这项工作建立了一种基于生物材料的方法来了解哮喘和相关的粘膜阻塞性肺疾病中的气道功能障碍。类似于哮喘的合成粘液凝胶在HAE组织培养物表面上的运输速度较慢，且速率与由2型细胞因子IL-13刺激的HAE培养物产生的天然粘液相似，后者已知会导致哮喘的气道炎症和MUC5AC过度分泌。我们还发现，富含MUC5AC的水凝胶包被的HAE培养物中感染频率的增加证明了哮喘样合成粘液对A型流感病毒的屏障功能受到损害。总之，这项工作建立了一种基于生物材料的方法来了解哮喘和相关的粘膜阻塞性肺疾病中的气道功能障碍。我们还发现，富含MUC5AC的水凝胶包被的HAE培养物中感染频率的增加证明了哮喘样合成粘液对A型流感病毒的屏障功能受到损害。总之，这项工作建立了一种基于生物材料的方法来了解哮喘和相关的粘膜阻塞性肺疾病中的气道功能障碍。我们还发现，富含MUC5AC的水凝胶包被的HAE培养物中感染频率的增加证明了哮喘样合成粘液对A型流感病毒的屏障功能受到损害。总之，这项工作建立了一种基于生物材料的方法来了解哮喘和相关的粘膜阻塞性肺疾病中的气道功能障碍。