Development of a human in vitro cystic fibrosis model for personalized medicine

Abstract

Gezüchtete humane Mikrogewebe ermöglichen einen beispiellosen Einblick in die Struktur-Funktions-Beziehungen von Organen, die Arzneimittelreaktionen und Pathologien zugrunde liegen. Ziel ist es, sowohl die native Gewebearchitektur als auch die organotypische mechanochemische Mikroumgebung, wie Konzentrationsgradienten und Scherkräfte, nachzuahmen, um die Erforschung dynamischer Wechselwirkungen und folglich Funktionen sowie Pathologien, möglichst nah an der menschlichen Biologie zu ermöglichen.Speziell kultivierte humane Lungenmikrogewebe tragen dazu bei, Krankheitsmechanismen zu identifizieren und Strategien für die symptomatische und ätiologische Behandlung, sowie die Behandlung des Beginns und des Fortschreitens tödlicher Infektionen, zu entwickeln. Diese Arbeit zeigt die Entwicklung eines patientenzellbasierten in-vitro-Modells der Atemwegserkrankung Mukoviszidose (Zystische Fibrose; Cystic Fibrosis - CF), des Cystic Fibrosis-Airway-Chips. Dieser Chip ermöglicht die patientenspezifische Echtzeit-Untersuchung der Wechselwirkungen zwischen Schleimhautfunktion, Immunzellreaktionen und bakteriellem Befall sowie Infektionsbeginn und -verlauf. Hierzu wurde eine reproduzierbare gesunde und von CF-Patienten stammende pulmonale Epithelgewebekultur auf einem mikrofluidischen Chip entwickelt. Mittels Immunofluoreszenzfärbung konnten Basalzellen, Schleim produzierende Becher- und Keulenzellen, sowie Kinozilientragende Zellen nachgewiesen werden. Die Verwendung von Videomikroskopie zeigte das Schlagen dieser Kinozilien und den mukoziliären Transport von fluoreszierenden Partikeln, der im Vergleich zum gesunden Epithel, lokale Störungen in CF Kulturen, im Einklang mit der beobachteten Beeinträchtigung der mukoziliären Clearance in Mukoviszidose PatientInnen, aufwies. Dieses Modell liefert einen wichtigen Beitrag zum Verständnis der Rolle von patientenspezifischen Entzündungsreaktionen und Immunzellrekrutierung, sowie der tödlichen Infektion mit Pseudomonas aeruginosa im Krankheitsverlauf von Mukoviszidose.

Engineered human microtissues provide an unparalleled window into structure-function relationships that underlie organ function, drug responses, and pathologies. The aim is to recapitulate both native tissue architecture and the organotypic mechano-chemical microenvironment to enable the study of dynamic interactions, emergent functions and disease states, such as in Cystic Fibrosis (CF). Specifically, engineered CF lung microtissues can help identify disease mechanisms and develop diagnostics for symptomatic and etiological treatment and the treatment of the onset and progression of the most common lethal infection with Pseudomonas aeruginosa in CF disease. Here, I discuss the development of a patient cell-based in vitro model of CF airway inflammation, the Cystic Fibrosis-Airway-Chip, that emulates and enables the patient-specific, real-time study of the interactions between mucociliary function, immune cell responses and bacterial infection onset and progression. This work led to a reproducible healthy and CF patient-derived epithelial tissue culture on a microfluidic chip, showing basal cells, mucus secreting goblet and club cells, as well as ciliated cells. Video microscopy revealed ciliary beat and mucociliary transport of florescent beads that was locally distorted in CF donors, in line with impeded mucociliary clearance observed in the CF lung. In the future, such a model can help understanding the role of patient-specific inflammatory responses and immune cell recruitment in shaping cystic fibrosis disease states.