Ein Air-liquid Interface-Zellkulturmodell zur Untersuchung der frühen Antwort humaner Bronchialepithelzellen auf Auslöser einer Asthma-Exazerbation

Ehlers, Johanna Christine

Asthma bronchiale ist eine chronisch-entzündliche Erkrankung der Atemwege. Bei 24 % der Asthma-Patienten kommt es zu wiederkehrenden Verschlimmerungen der Krankheit, den Asthma-Exazerbationen. Bis heute können Exazerbationen weder verhindert noch frühzeitig erkannt werden. Das Atemwegsepithel spielt eine wichtige Rolle bei der Pathophysiologie von Asthma. Da es respiratorischen Viren, den Hauptauslösern von Asthma-Exazerbationen, als Zielzellen der Infektion dient, ist es essentiell an der Entstehung beteiligt. Im ersten Teil dieser Arbeit wurde ein 3D-Zellkulturmodell zur Nachstellung einer Asthma-Exazerbation etabliert und charakterisiert. Die verwendeten primären humanen Bronchialepithelzellen lungen-gesunder und asthmatischer Spender bildeten in vitro unter Air-liquid Interface (ALI-) Zellkulturbedingungen nach 28 Tagen ein pseudostratifiziertes Atemwegsepithel. Durch Stimulation mit rekombinantem humanen Interleukin-13 (rhIL-13) differenzierte dieses Epithel zu einem mukösen Th2-polarisierten epithelialen Phänotyp. Als Surrogat für respiratorische Viren, wurde Poly(I:C), welches die doppelsträngige RNA eines sich replizierenden Virus nachstellt, zur Induktion einer antiviralen Inflammation eingesetzt. Durch die Kombination von rhIL-13 und Poly(I:C) wurde in ALI-Kulturen von lungen-gesunden und asthmatischen Spendern eine epitheliale Antwort ausgelöst, die der einer Asthma-Exazerbation sowohl morphologisch als auch in Bezug auf bekannte Mediatoren sehr ähnlich war. Durch Gesamtgenomanalysen wurde dieser Befund in einem unabhängigen experimentellen Ansatz bestätigt. Im zweiten Teil wurden mithilfe der Gesamt-Transkriptomanalysen sechs Gene identifiziert, deren Proteinprodukte als potentielle Biomarker der frühen Phase einer Asthma-Exazerbation dienen könnten. Diese Kandidaten sind IL-6, IP-10, ISG15, MCP-1, RANTES und TNF-α.

Bronchial asthma is a chronic inflammatory disease of the airways. Some patients suffer from recurrent worsening of the disease termed asthma exacerbation. To date, these exacerbations cannot be predicted nor prevented at an early stage. The airway epithelium plays an important role in the pathophysiology of asthma and respiratory viruses target epithelial cells. In this thesis, a 3D-cell culture model mimicking an asthma exacerbation was established and characterised. Primary human bronchial epithelial cells derived from healthy and asthmatic donors were cultured under air-liquid interface (ALI-) conditions for 28 days to build up a pseudostratified epithelium. Upon stimulation of these cultures with recombinant human interleukin-13 (rhIL-13), a mucosal Th2-polarised epithelial phenotype was generated. Most asthma exacerbations are triggered by infections with respiratory viruses. Therefore, the viral surrogate Poly(I:C), which mimics double-stranded RNA of replicating viruses, was used to induce an antiviral inflammation in vitro. The application of rhIL-13 and Poly(I:C) were combined to provoke an epithelial response in ALI-cell cultures of healthy and asthmatic donors similar to an asthma exacerbation in vivo. The epithelial response was associated with morphological features and gene expression changes similar to processes observed in vivo during an asthma exacerbation. Whole-genome transcriptome analyses confirmed the proximity of the established in vitro ALI-model of the early epithelial response during an asthma exacerbation to the in vivo situation. Furthermore, the whole-genome transcriptome analysis revealed six mediators which were identified as potential biomarkers for the early phase of an asthma exacerbation. These candidates are IL-6, IP-10, ISG15, MCP-1, RANTES and TNF-α.

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Ehlers, Johanna: Ein Air-liquid Interface-Zellkulturmodell zur Untersuchung der frühen Antwort humaner Bronchialepithelzellen auf Auslöser einer Asthma-Exazerbation. 2019.

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