Aufbau von funktionalen 3D-Atemwegs-Testsystemen für personalisierte Ansätze bei seltenen Atemwegserkrankungen

Primäre Ziliardyskinesie (PCD) und Mukoviszidose (CF) sind seltene Erkrankungen der Atemwege, die aus verschiedenen Gründen eine beeinträchtigte mukoziliäre Säuberung aufweisen. Sowohl bei PCD als auch bei CF gibt es mehrere Phänotypen. Daher sind unterschiedliche Therapiestrategien erforderlich. Da 3D Modellorganismen eine höhere in vitro in vivo Korrelation aufweisen als 2D Zellkulturmodelle, wollen wir ein funktionales 3D Modell etablieren, um patientenbezogene Therapien zu untersuchen.

Zum Aufbau der 3D Atemwegsmodelle dienten dezellularisierte Segmente des Schweinejejunums als Trägerstruktur, auf welche primäre Atemwegsepithelzellen sowie Fibroblasten in Ko-Kultur ausgesät wurden. Mithilfe von histologischen und ultrastrukturellen Analyseverfahren wurde der mukoziliäre Phänotyp bestätigt. Zur Funktionsanalyse wurde Zilienschlagfrequenz und Partikeltransport untersucht. Therapeutische Studien wurden mit einem Aerosol-Expositionssystem durchgeführt.

Die 3D Modelle zeigen ein ausdifferenziertes und polarisiertes Epithel, das alle wichtigen Zelltypen (Basal-, Flimmer und Becherzellen) und Mukus auf der Epitheloberfläche enthält. Die Funktionalität der Kinozilien wird in Kontrollmodellen beobachtet. In trachealen Modellen beträgt die Zilienschlagfrequenz 11 Hz wohingegen sie in nasalen bei 13 Hz liegt. Die mukoziliäre Transportgeschwindigkeit beträgt ab 200 µm/s. Salbutamol oder hypertone NaCl können die die Schlagfrequenz beeinflussen.

Es ist uns gelungen, ein personalisiertes Testsystem für das Atemwegsepithel zu etablieren. Der 3D Prototyp ermöglicht die Erstellung funktioneller individueller Krankheitsmodelle und prätherapeutischer Tests. Dieser Ansatz deckt alle Anforderungen an eine personalisierte Medizin bei epithelialen Atemwegserkrankungen ab.

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Publication Date:
23 April 2019 (online)