Identifikation molekularer Mechanismen von bakteriellen Infektionen humaner Atemwege zur Herstellung antimikrobieller Oberflächen für Atemwegsstents
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Der Mensch ist der einzig natürliche Wirt des Keuchhustenerregers Bordetella pertussis, welcher gezielt die Atemwegschleimhaut befällt. Zur Untersuchung der Virulenzmechanismen dieser Bakterien sowie zur (Weiter-) Entwicklung nötiger Impfstoffe werden Tierstudien herangezogen, deren Daten oft nicht auf den Menschen übertragbar sind, da in Tieren wichtige Symptome des Keuchhustens nicht ausgelöst werden. Daher bestand die zentrale Zielsetzung dieses Projekts darin, mit Methoden des Tissue Engineering ein 3D Gewebemodell für die humane Atemwegschleimhaut auf Basis einer biologischen Trägerstruktur zu entwickeln, das für mehrere Wochen lebensfähig ist und eine hohe invitro in-vivo-Korrelation besitzt. Um die physiologischen Bedingungen der Atemwegschleimhaut möglichst genau abbilden zu können, sollten die Gewebemodelle nicht nur unter statischen Bedingungen im Brutschrank, sondern auch in speziell entwickelten Bioreaktoren dynamisch kultiviert werden. Das Bioreaktorsystem sollte die Zellen bzw. Gewebeverbände optimal mit Nährstoffen versorgen, die Umgebungstemperatur konstant halten und den Blutdruck sowie die Atmungsvorgang simulieren. Ein weiteres Ziel bestand darin, mögliche Alternativen zur biologischen Trägerstruktur im Bereich der sog. Hybridmaterialien ausfindig zu machen. Mittels Elektrospinning sollte eine aus Proteoglykanen der extrazellulären Matrix bestehende 3D Trägerstruktur synthetisiert werden, welche die Adhäsion primärer humaner Atemwegsepithelzellen ermöglicht. Es ist uns gelungen, aus humanen primären Atemwegsepithelzellen und Fibroblasten, die auf einer biologischen Trägerstruktur ausgesät wurden, ein 3D Gewebemodell für die Atemwegschleimhaut mit hoher in-vitro in-vivo-Korrelation aufzubauen. Mittel morphologischer Analysen haben wir die wichtigsten Zelltypen der Atemwegschleimhaut sowie Barriereeigenschaften des Epithels nachweisen können. Weiterhin haben wir optimale Konditionen für weiterführende Infektionsstudien mit B. pertussis etabliert. Auf einer alternativen synthetischen Trägerstruktur ließ sich ein geschlossener Zellrasen mit primären Atemwegsepithelzellen kultivieren. Sowohl die Biokompatibilität dieser Trägerstruktur als auch das Potenzial, diese für weiterführende Experimente zum Aufbau alternativer Gewebemodelle zu verwenden, ist hiermit gegeben. Zur dynamischen Kultivierung der Gewebemodelle wurde ein computergesteuertes Bioreaktorsystem etabliert, erfolgreich eingesetzt und weiterentwickelt. Ein aus menschlichen Zellen aufgebautes 3D Testsystem für die Atemwegschleimhaut stellt ein für die Grundlagenforschung höchst innovatives Untersuchungsmodell für Wechselwirkungen zwischen dem Wirtsgewebe und Bakterienkolonien bzw. neuen, über die Atemwege applizierbaren Medikamenten (z. B. Impfstoffe) dar. Die zu erwartenden grundlagenwissenschaftlichen Erkenntnisse können langfristig dazu beitragen, zahlreiche Tierversuche zu reduzieren bzw. zu ersetzen und zu einer verbesserten medizinischen Medikamenten- und Produktentwicklung führen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Hampel M, Dally I, Walles T, Steger V, Veit S, Kyriss T, Friedei G
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(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/biot.201200160) - A human airway mucosa tissue model to investigate whooping cough. Eur Respir J. 2013; 42; Suppl. 57, 374s
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