Establishement of an in vitro Transwell model of the alveolar respiratory epithelium based on human cell line NCI-H441

Rund 300 Millionen Alveolen sorgen in der menschlichen Lunge für den Gasaustausch. Eine essentielle Rolle spielen dabei die Alveolarepithelzellen, die die erste Barriere der Luft gegenüber dem Blut bilden. Man unterteilt diese in die kubisch förmigen Typ-II-Epithelzellen, die den wichtigen stabilisierenden Surfactant bilden und in die flacheren Typ-I-Zellen, die aufgrund von engen Zell-Zell Kontakten miteinander eine funktionelle Barriere zwischen Luft und Blut (Blut-Luft-Schranke) ermöglichen. In der Pathophysiologie von verschiedenen Lungenerkrankungen, wie z.B. dem ARDS, spielt die Störung dieser Barriere eine essentielle Rolle. Ziel der vorliegenden Promotionsarbeit war es, ein in vitro-Modell dieser Barriere, basierend auf der humanen Epithellzelllinie NCI H441, zu etablieren. Die Epithelzellen wurden hierzu erfolgreich auf Transwelleinsätzen gezüchtet. Um die Barriereeigenschaften zu überprüfen, wurden mit TER Messungen und Fluoreszenzpermeabilitätsmessungen zwei verschiedene Verfahren eingesetzt. Für die Bewahrung der Konfluenz wurden die Zellen mit Dexamethason – einem potenten Glukokortikoid – behandelt. Dexamethason wurde idealerweise bei jedem Medienwechsel ab Tag 5 apikal hinzugefügt und zeigte einen barrierefördernden Effekt. Die optimale hinzugefügte Dexamethason–konzentration erwies sich als 100 nM. Hierunter bildete die Zellschicht – sowohl mittels TER-Messung als auch mittels Fluoreszenzpermeabilitätsmessung überprüft – eine starke Barriere aus, die am Tag 14-15 nach Zellaussaat ihr Maximum erreichte. Auf mRNA Ebene konnten zu diesem Zeitpunkt unter 100 nM Dexamethason jeweils relevante Mengen zellspezifischer Proteine von Alveolarepithelzellen Typ-I und II nachgewiesen werden. Mittels Immunfluoreszenzmikroskopie konnte zusätzlich visualisiert werden, dass die zwei Zelltypen koexistieren. Mittels Immunfluoreszenzmikroskopie zeigte sich weiterhin ein ausgeprägtes Netz an Occludensjunktionsproteinen (Claudin -1,-3,-4, Occludin, ZO-1). In weiteren Versuchen wurde der Einfluß von Endothelzellfaktoren auf das epitheliale Lungenkulturmodell untersucht. Es zeigte sich ein stark ausgeprägter gewebsspezifischer Effekt: Die Faktoren der Lungenendothelzellen stärkten die Barriere des Modells, hingegen die Hirnendothelzellfaktoren sie stark schwächten. Dieser Effekt zeigte sich sowohl durch die gemessenen TER-Werte als auch durch die gemessenen Fluoreszeinpermeabelitätswerte. Erste Belastungsversuche des Modell durch Hypoxie und reaktive Sauerstoffspezies zeigten eine gewisse Widerstandsfähigkeit der Barriere gegenüber Noxen. Das vorliegende Zellkulturmodell des Lungenalveolarepithels, basierend auf der NCI H441 Zelllinie, kann folglich genutzt werden, um die Regulation der Barriere genauer zu erforschen und mögliche neue Therapiestrategien zu entwickeln.The blood–air barrier in the lung consists of the alveolar epithelium, the underlying capillary endothelium, their basement membranes and the interstitial space between the cell layers. Within the framework of this thesis an in vitro-Transwell model of the alveolar epithelium based on human cell line H441 was established and the influence of conditioned medium obtained from human lung endothelial cell line HPMEC-ST1.6R on the barrier properties of the H441 layers were investigated. As control for tissue specificity H441 layers were exposed to conditioned medium from human brain endothelial cell line hCMEC/D3. Addition of dexamethasone was necessary to obtain stable H441 cell layers. Moreover, dexamethasone increased expression of cell type I marker caveolin-1, and cell type II marker SP-B, whereas decreased the transepithelial electrical resistance (TEER) in a concentration dependent manner. Soluble factors obtained from the lung endothelial cell line increased the barrier significantly proven by TEER values and fluorescein permeability on the functional level and by the differential expression of tight junctional proteins on the molecular level. In contrast to this, soluble factors derived from brain endothelial cells weakened the barrier significantly. In conclusion, soluble factors from lung endothelial cells can strengthen the alveolar epithelium barrier in vitro, which suggests communication between endothelial and epithelial cells regulating the integrity of the blood–air barrier. With regard to the clinical context, influencing the alveolar permeability may be a future target in the treatment of different lung diseases such as ARDS and this in-vitro model may be a helpful tool for it