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Development Of Three-Dimensional Liver Models For Drug Development And Therapeutical Applications
(2015)
Primary human liver cells such as hepatocytes when isolated and cultured in 2D monolayers, de-differentiate and lose their phenotypic characteristics. In order to maintain the typical polygonal shape of the hepatocytes and their polarization with respect to the neighbouring cells and extra cellular matrix (ECM), it is essential to culture the cells in a three-dimensional (3D) environment. There are numerous culturing techniques available to retain the 3D organization including culturing hepatocytes between two layers of collagen and/or MatrigelTM (Moghe et al. 1997) or in 3D scaffolds (Burkard et al. 2012).
In this thesis, three different 3D hepatic models were investigated.
1. To reflect the in vivo situation, the hepatocytes were cultured in 3D synthetic scaffolds called Mimetix®. These were generated using an electrospinning technique using biodegradable polymers. The scaffolds were modified to increase the pore size to achieve an optimal cell function and penetration into the scaffolds, which is needed for good cell-cell contact and to retain long-term phenotypic functions. Different fibre diameters, and scaffold thicknesses were analyzed using upcyte® hepatocytes. The performance of upcyte® hepatocytes in 3D scaffolds was determined by measuring metabolic functions such as cytochrome P450 3A4 (CYP3A4) and MTS metabolism.
2. Apart from maintaining the hepatocytes in 3D orientation, co-culturing the hepatocytes with other non-parenchymal cell types, such as liver sinusoidal endothelial cells (LSECs) and mesenchymal stem cells (MSCs), better reflects the complexity of the liver. Three different upcyte® cell types namely, hepatocytes, LSECs and MSCs, were used to generated 3D liver organoids. The liver organoids were generated and cultured in static and dynamic conditions. Dynamic conditions using Quasi-vivo® chambers were used to reflect the in vivo blood flow. After culturing the cells for 10 days, the structural orientation of cells within the organoids was analyzed. Functional integrity was investigated by measuring CYP3A4 activities. The organoids were further characterized using in situ hybridization for the expression of functional genes, albumin and enzymes regulating glutamine and glucose levels.
3. An ex vivo bioreactor employing a decellularized organic scaffold called a “Biological Vascularized Scaffold” (BioVaSc) was established. Jejunum of the small intestine from pigs was chemically decellularized by retaining the vascular system. The vascular tree of the
BioVaSc was repopulated with upcyte® microvascular endothelial cells (mvECs). The lumen of the BioVaSc was then used to culture the liver organoids generated using upcyte® hepatocytes, LSECs and MSCs. The structural organisation of the cells within the organoids was visualized using cell-specific immunohistochemical stainings. The performance of liver organoids in the BioVaSc was determined according to metabolic functions (CYP3A4 activities).
This thesis also addresses how in vitro models can be optimized and then applied to drug development and therapy.
A comprehensive evaluation was conducted to investigate the application of second-generation upcyte® hepatocytes from 4 donors for inhibition and induction assays, using a selection of reference inhibitors and inducers, under optimized culture conditions. CYP1A2, CYP2B6, CYP2C9 and CYP3A4 were reproducibly inhibited in a concentration-dependent manner and the calculated IC50 values for each compound correctly classified them as potent inhibitors. Upcyte® hepatocytes were responsive to prototypical CYP1A2, CYP2B6, CYP2C9 and CYP3A4 inducers, confirming that they have functional AhR, CAR and PXR mediated CYP regulation. A panel of 11 inducers classified as potent, moderate or non-inducers of CYP3A4 and CYP2B6 were tested. Three different predictive models for CYP3A4 induction, namely the Relative Induction Score (RIS), AUCu/F2 and Cmax,u/Ind50 were analyzed. In addition, PXR (rifampicin) and CAR-selective (carbamazepine and phenytoin) inducers of CYP3A4 and CYP2B6 induction, respectively, were also demonstrated.
Haemophilia A occurs due to lack of functional Factor VIII (FVIII) protein in the blood. Different types of cells from hepatic and extrahepatic origin produce FVIII. Supernatants harvested from primary LSECs were evaluated for the presence of secreted functional FVIII. In order to increase the FVIII production, different upcyte® endothelial cells such as blood outgrowth endothelial cells (BOECs), LSECs and mvECs were transduced with lentiviral particles carrying a FVIII transgene. Also, to reflect a more native situation, primary mvECs were selected and modified by transducing them with FVIII lentivirus and investigated as a potential method for generating this coagulation factor.
Die Vordere Kreuzband (VKB)-Ruptur ist eine häufige Verletzung, welche eine hohe individuelle und sozioökonomische Belastung verursacht. Eine etablierte Therapie ist die VKB-Plastik, problematisch sind jedoch die hohen Rerupturraten nach operativer Versorgung. In der Annahme, dass Mesenchymale Stammzellen (MSC) eine bedeutende Rolle für die Heilung spielen, sollte in der vorliegenden Arbeit untersucht werden, ob ein Zusammenhang zwischen Zahl und Qualität der aus dem VKB isolierten MSC sowie der Latenz zwischen Ruptur und Rekonstruktion besteht und so ein optimaler Therapiezeitraum eingegrenzt werden kann.
Zunächst erfolgte die Zellisolierung aus intraoperativ gewonnenen VKB-Biopsien. Je nach Latenz zwischen Ruptur und Operation wurden drei Gruppen (akute ≙ ≤ 30 d, subakute ≙ 31-90 d, verzögerte Rekonstruktion ≙ > 90 d) gebildet. Zum Nachweis von MSC wurden die Zellen hinsichtlich ihrer Plastikadhärenz, eines multipotenten Differenzierungspotentials sowie eines spezifischen Oberflächenantigenmusters (CD73+, CD90+, CD105+, CD34-) untersucht. Zudem wurde ihr Einflusses auf die biomechanischen und histologischen Eigenschaften eines analysiert.
Der Nachweis von MSC war in allen Gruppen möglich. Das Proliferationspotential war in Gruppe II am größten, ebenso der Anteil der MSC an allen Zellen. Er war 5,4% (4,6% - 6,3%, 95% CI; p < 0,001) höher als in Gruppe I und 18,9% (18,2% - 19,6%, 95% CI; p < 0,001) höher als in Gruppe III. In den mit Zellen kultivierten Bandkonstrukten konnte im Gegensatz zu zellfreien Konstrukten humanes Kollagen I nachgewiesen werden. Die Stabilität nahm bei Kultivierung mit Zellen ab.
Die Ergebnisse legen nahe, dass das Regenerationspotential bei subakuter VKB-Rekonstruktion (31-90 d) am höchsten ist. Potenziell ursächlich sind die Regeneration hemmende Entzündungsprozesse zu Beginn sowie degenerative Prozesse im längerfristigen Verlauf. Zudem konnte gezeigt werden, dass die isolierten Zellen die Eigenschaften eines Bandkonstruktes durch Bildung von Kollagen I und Reduktion der Stabilität im kurzfristigen Verlauf verändern und dementsprechend den Therapieerfolg beeinflussen könnten. Zur Verifizierung der Ergebnisse bedarf es weiterer Untersuchungen.
Die Implantation eines Medizinprodukts in den menschlichen Körper ruft eine Immunreaktion hervor, die zur fibrösen Einkapselung führen kann. Makrophagen in direktem Kontakt mit der Oberfläche des Implantats erfassen sensorisch den Fremdkörper und übersetzten das Signal in die Freisetzung zahlreicher löslicher Mediatoren. Das generierte Entzündungsmilieu moduliert die Heilungsreaktion und kann zur Anreicherung von Fibroblasten sowie zur Erhöhung der Matrixsyntheserate in der Wundumgebung führen. Eine dichte fibröse Kapsel um ein Medizinprodukt beeinträchtigt den Ersatz von Körperstrukturen, das Unterstützen physiologischer Körperfunktionen sowie die Effizienz einer medizinischen Therapie. Zur Identifizierung potenzieller Biomaterialkandidaten mit optimalen Eigenschaften ist jedoch eine evidenzbasierte Entscheidungsfindung notwendig und diese wiederum muss durch geeignete Testmethoden unterstützt werden.
Zur Erfassung lokaler Effekte nach Implantation eines Biomaterials begründet die Komplexi-tät der ablaufenden Fremdkörperreaktion die Anwendung von Tiermodellen als Goldstandard. Die Eingliederung von in vitro Modellsystemen in standardisierte Testverfahren scheitert oft an der Verfügbarkeit validierter, verlässlicher und reproduzierbarer Methoden. Demnach ist kein standardisiertes in vitro Testverfahren beschrieben, das die komplexen dreidimensionalen Gewebsstrukturen während einer Fremdkörperreaktion abbildet und sich zur Testung über längere Kontaktphasen zwischen Blutkomponenten und Biomaterialien eignet. Jedoch können in vitro Testungen kosten- und zeiteffizienter sein und durch die Anwendung humaner Zellen eine höhere Übertragbarkeit auf den Menschen aufweisen. Zusätzlich adressiert die Präferenz zu in vitro Testmethoden den Aspekt „Reduzierung“ der 3R-Prinzipien „Replacement, Reduction, Refinement“ (Ersatz, Reduzierung, Verbesserung) von Russel und Burch (1959) zu einer bewussten und begründeten Anwendung von Tiermodellen in der Wissenschaft. Ziel von diesem Forschungsvorhaben war die Entwicklung von humanen in vitro Modellsystemen, die den Kontakt zu Blutkomponenten sowie die Reaktion des umliegenden Bindegewebes bei lokaler Implantation eines Biomaterials abbilden. Referenzmaterialien, deren Gewebsantwort nach Implantation in Tiere oder den Menschen bekannt ist, dienten als Validierungskriterium für die entwickelten Modellsysteme. Die Anreicherung von Zellen sowie die Bildung extrazellulärer Matrix in der Wundumgebung stellen wichtige Teilprozesse während einer Fremdkörperreaktion dar. Für beide Teilprozesse konnte in einem indirekten zellbasierten Modellsystem der Einfluss einer zellvermittelten Konditionierung wie die Freisetzung von löslichen Mediatoren durch materialadhärente Makrophagen auf die gerichtete Wanderung von Fibroblasten sowie den Umbau eines dreidimensionalen Bindegewebsmodells aufgezeigt werden.
Des Weiteren ließ sich das Freisetzungsprofil von Zytokinen durch materialständige Makrophagen unter verschiedenen Testbedingungen wie der Kontamination mit LPS, der Oberflächenbehandlung mit humanem Blutplasma und der Gegenwart von IL-4 bestimmen. Die anschließende vergleichende statistische Modellierung der generierten komplexen multifaktoriellen Datenmatrix ermöglichte die Übersetzung in eine Biomaterialbewertung. Dieses entwickelte Testverfahren eignete sich einerseits zur Validierung von in vitro Testbedingungen sowie andererseits zur Bewertung von Biomaterialien. Darüber hinaus konnte in einem dreidimensionalen Fremdkörpermodell die komplexe dreidimensionale Struktur der extrazellulären Matrix in einer Wunde durch die Kombination unterschiedlicher Zell- und Matrixkomponenten biomimetisch nachgebaut werden. Diese neuartigen dreidimensionalen Fremdkörpermodelle ermöglichten die Testung von Biomaterialien über längere Testphasen und können in anschließenden Studien angewandt werden, um dynamische Prozesse zu untersuchen. Zusammenfassend konnten in dieser Arbeit drei unterschiedliche Teststrategien entwickelt werden, die (I) die Bewertung von Teilprozessen ermöglichen, (II) die Identifizierung verlässlicher Testbedingungen unterstützen und (III) biomimetisch ein Wundgewebe abbilden. Wesentlich ist, dass biomimetisch ein dreidimensionales Gewebemodell entwickelt werden konnte, das eine verlässliche Unterscheidungskapazität zwischen Biomaterialien aufweist.