Advancing in vitro models of pulmonary epithelia for biomedical and biopharmaceutical research

Abstract

Complex pulmonary in vitro models based on human cells and tissues are a potential alternative to animal testing, which could yield results with higher predictivity than current experimental models. Within this context, this thesis aimed to implement in vitro models of pulmonary epithelia, specifically cellular models of the human air-blood barrier, into a microfluidic platform to analyze aerosol transport and clearance. This primary goal evolved into three sub-objectives: 1. Implementation of the polyclonal hAELVi and differentiated THP-1 co-culture model into a morphologically inspired microfluidic platform. 2. Development of a novel perfusable platform (“PerfuPul”). 3. Generation of a monoclonal human alveolar epithelial cell line named “Arlo” with pronounced barrier functions. The work conducted during this thesis led to the identification of practical issues with existing in vitro models as well as technologies. The critical lessons learned from these studies resulted in the generation and characterization of the perfusable platform “PerfuPul” as well as the monoclonal alveolar epithelial cell line “Arlo”, which both represent important building blocks to create complex pulmonary in vitro models in the future.

Komplexe pulmonale in vitro Modelle auf Basis menschlicher Zellen und Gewebe, stellen eine mögliche Alternative zum Tierversuch dar, welche zu Ergebnissen mit höherer Vorhersagekraft im Vergleich zu aktuellen experimentellen Modellen führen könnten. Das übergelagerte Ziel dieser Arbeit war es, in vitro Modelle pulmonaler Epithelien, insbesondere zelluläre Modelle der menschlichen Luft-Blut-Schranke der tiefen Lunge, in eine mikrofluidische Plattform zur Untersuchung des Aerosoltransports und –abbaus zu implementieren. Dieses Hauptziel entwickelte sich in drei Unterziele: 1. Die Implementierung eines Ko-Kultur Modells bestehend aus einer Zelllinie des Alveolarepithels (hAELVi-Zellen) und differenzierten THP-1-Zellen in eine anatomisch- inspirierte mikrofluidische Plattform. 2. Die Entwicklung einer neuartigen perfundierbaren Plattform für die Kultur von Lungenepithelzellen an einer Luft-Flüssigkeits-Grenzfläche („PerfuPul“). 3. Die Generierung einer monoklonalen humanen Alveolarepithelzelllinie namens „Arlo“, die ausgeprägte Barrierefunktionen aufweist. Im Zuge dieser Arbeit wurden praktische Probleme in der Handhabung von etablierten in vitro Modellen und Technologien festgestellt. Die aus diesen Experimenten gewonnenen Erkenntnisse, führten zur Entwicklung und Charakterisierung der perfundierbaren in vitro Platform „PerfuPul“ und der monoklonalen alveolaren Epithelzelllinie “Arlo”. Beide Erfindungen stellen wichtige Bausteine zur zukünftigen Entwicklung komplexer pulmonaler in vitro Modelle dar.