Establishment of physiological alveolar-capillary barrier on basement membrane mimic

Jain, Puja; Möller, Martin (Thesis advisor); Ludwig, Andreas (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2023)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2023

Kurzfassung

Diese Arbeit befasst sich hauptsächlich mit der Herstellung und Optimierung einer nahezu nativen Basalmembran der funktionellen Einheit der Lunge in Bezug auf Struktur, Topographie und biofunktionelle Eigenschaften unter Verwendung der vielseitigen Technik des Elektrospinnens. Diese Arbeit umfasst auch die Realisierung eines in vitro stabilen Co-Kultur-Alveolar-Kapillarbarriere-Modells und dessen Anpassung an externe physiologische Stimulationen in einem maßgeschneiderten 3D-Bioreaktor. Traditionelle In-vitro-Modelle der alveolar-kapillaren Barriere umfassen isolierte menschliche Zellen, die das komplexe zelluläre Umfeld, in dem mehr als ein Zelltyp koexistiert, nicht vollständig erfassen. Zweitens fehlt ihnen die als Basalmembran bekannte extrazelluläre Mikroumgebung, die die Monolayer aus Lungenendothel- und Epithelzellen trennt, stützt und reguliert. Trotz der jüngsten Entwicklung hochentwickelter mikrofluidischer Geräte, die auch als "Lunge auf dem Chip" bekannt sind und physiologische Strömung und Dehnung beinhalten, um Blutfluss und Atmung zu imitieren, verwenden sie immer noch flache Membranen (Polydimethylsiloxan-PDMS, Polyethylenterephthalat-PET, Polycarbonat-PC) als Basalmembran. Diese synthetischen Gerüste entsprechen nicht der nanofaserigen Beschaffenheit, den miteinander verbundenen Poren und den extrem dünnen (0,1-2 µm) Abmessungen der natürlichen Alveolar-Basismembran, die für die parakrine Signalübertragung und die regulierte Funktion der getrennten endothelialen und epithelialen Monoschichten wichtig sind. Darüber hinaus sind die verwendeten synthetischen Gerüste nicht bioresorbierbar und werden durch das Fehlen von zellbindenden Liganden eingeschränkt, die für die langfristige Aufrechterhaltung von Primärzellen in vitro erforderlich sind. Diese Unzulänglichkeiten machen es erforderlich, eine synthetische Basalmembran zu entwickeln, die sich durch extrem dünne (0,1-2 µm) Abmessungen, eine nanofaserige Topologie und mechanische Integrität auszeichnet, um die alveolären Endothel- und Epithelzellen zu stützen und zu trennen, ohne die parakrine Signalübertragung zwischen den Zellschichten zu behindern. Darüber hinaus ermöglichte das Bioreaktorsystem die Stimulierung physiologischer Scherspannungen durch den Medienfluss und eine aktivierte Atmungsbewegung an den kokultivierten biofunktionalisierten PCL-meshes, die an einer Luft-Flüssigkeits-Grenzfläche gehalten wurden.

Einrichtungen

• DWI - Leibniz-Institut für Interaktive Materialien e.V. [052200]
• Fachgruppe Chemie [150000]
• Lehrstuhl für Makromolekulare Chemie [154610]