Respiratorisches Tissue Engineering : Entwicklung eines respiratorischen Mukosa-Äquivalents

• Respiratory tissue engineering : development of a respiratory mucosa equivalent

Lüngen, Anja Elisabeth; Jockenhövel, Stefan (Thesis advisor); Cornelissen, Christian Gabriel (Thesis advisor)

Aachen (2022)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2022, Kumulative Dissertation

Kurzfassung

Patienten mit einer inoperablen Atemwegsstenose, verursacht durch Langzeitintubation, Tracheostomie oder Lungenkrebs, sind mit begrenzten Behandlungsmöglichkeiten und einer geringen Lebensqualität konfrontiert. Bislang gibt es keine erfolgreiche Strategie zum Ersatz der Atemwege, sodass ein hoher Bedarf an neuen Therapieansätzen bei der Behandlung dieser Patienten besteht. In Zukunft könnte ein mittels Tissue Engineering hergestellter Gewebe-Ersatz dieses Problem beheben und bisherige Limitierungen hinsichtlich mechanischer Stabilität, mukoziliärer Reinigung und Vaskularisierung überwinden. Zur Vermeidung von Komplikationen wie Nekrosen, Entzündungen und Infektionen sind einschützendes und funktionales respiratorisches Epithel sowie ein ausgereiftes Gefäß-Netzwerkentscheidend. In dieser Arbeit wurden zunächst die optimalen Kulturbedingungen in Bezug auf die Zusammensetzung des Nährmediums zur in vitro-Differenzierung von respiratorischen Epithelzellen analysiert. Anschließend wurde ein fibrinbasiertes Tri-Kultur-Modell der Atemwegs-Mucosa mit unterschiedlichen mesenchymalen Stromazellen, respiratorischen Epithelzellen und Nabelschnurvenen-Endothelzellen evaluiert. In der ersten Studie wurde das in vitro-Differenzierungsverhalten primärer respiratorischer Epithelzellen in vier verschiedenen Differenzierungsmedien nach vierwöchiger Kultur der Zellen an der Luft-Flüssigkeits-Grenzfläche verglichen. Elektronenmikroskopie sowie(immun-)histologische Färbungen zeigten in den meisten Fällen einen mukoziliären Phänotyp der Zellen bei Verwendung einer mit Retinsäure angereicherte Medien-Mischung. Darüber hinaus erwies sich das Gleichgewicht der Konzentrationen von Retinsäure, vaskuläremendothelialen Wachstumsfaktor, epidermalem Wachstumsfaktor und Fibroblasten-Wachstumsfaktor β als bedeutsam für das Differenzierungsergebnis. Niedrige Konzentrationen dieser Wachstumsfaktoren korrelierten mit ausbleibender Ziliierung in Epithelzellen.In der zweiten Studie wurden verschiedene unterstützende Zellarten hinsichtlich ihrer Fähigkeit verglichen, die mukoziliäre Differenzierung von respiratorischen Epithelzellen und die durch Nabelschnurvenen-Endothelzellen vermittelte Vaskularisierung in einer fibrinbasierten Tri-Kultur zu fördern. Zusätzlich wurden Ko-Kulturen der drei unterstützenden Zellarten entweder mit Epithel- oder mit Endothelzellen als Kontrollen verwendet. Tri-Kulturen mit mesenchymalen Stromazellen aus dem Knochenmark wiesen die größte Ähnlichkeit mit der nativen Atemwegs-Mucosa im Hinblick auf Ziliierung, Schleimproduktion und Expression von Epithelzellmarkern auf. Danach folgten Kulturen mit nasalen Fibroblasten, während mesenchymale Stromazellen aus Fettgewebe die Zilienbildung nicht förderten. Die Vaskularisierung der verschiedenen Tri-Kulturansätze war vergleichbar, obwohl in den Kulturen mit Zellen aus dem Knochenmark verzweigtere und ausgedehntere Gefäß-Strukturen nachweisbar waren. Die Konzentrationen von pro-angiogenen und entzündungsfördernden Zytokinen waren in Tri-Kulturen im Vergleich zu Co-Kulturen reduziert.Die in dieser Arbeit beschriebenen Ergebnisse tragen zu einer verbesserten Standardisierung der in-vitro-Kultur von respiratorischen Epithelzellen bei und geben wertvolle Einblicke in die Zell-Zell-Interaktionen der Atemwegs-Mucosa. Darüber hinaus stellen die genannten Studieneinen wichtigen Schritt auf dem Weg zu einem ziliierten und vaskularisierten Atemwegs-Ersatzgewebe dar.