Development and characterization of nasal cell culture models based on the immortalized human nasal epithelial cell line RPMI 2650 for in vitro nasal permeation studies

Die nasale Mukosa hat in den letzten Jahren und Jahrzehnten an Bedeutung für die Applikation von Arzneistoffen gewonnen. Um Transport und Permeation durch die nasale Mukosa zu untersuchen, sind verschiedene In-vitro-Modelle entwickelt worden. Ziel der Arbeit war es, ein organotypisches Permeationsmodell der humanen nasalen Mukosa zu entwickeln, wobei zunächst die passive Permeation im Vordergrund stand. Hierfür wurden Untersuchungen mit isolierten humanen nasalen Epithelzellen in Primärkultur, mit der immortalisierten Zelllinie RPMI 2650 und mit exzidierter humaner Mukosa durchgeführt. Um den Einfluss einer Fibroblasten-Kokultur zu untersuchen, wurden humane nasale Fibroblasten (HNF) isoliert und kultiviert, die in kontaktlosen und dreidimensionalen Modellen mit direktem Kontakt zu den Epithelzellen eingesetzt wurden. Zudem wurde die mRNA-Expression verschiedener ABC-Transporter und deren Einfluss auf die Permeation eines Modellsubstrates in den verschiedenen Modellen charakterisiert. Zusätzlich wurde untersucht, inwieweit die Barriereigenschaften der nasalen Mukosa abhängig vom Entnahmeort in der Nasenhöhle schwanken. Hierfür wurde porcine Mukosa verwendet. In dieser Arbeit ist es gelungen, ein einfach zu kultivierendes, reproduzierbares Modell der humanen nasalen Mukosa zu entwickeln, das auf der Zelllinie RPMI 2650 basiert. Die Ergebnisse sprechen für organotypische Eigenschaften bei der passiven Permeation hydrophiler und lipophiler Stoffe und von Stoffen mit hohem Molekulargewicht. Die Expression der untersuchten ABC-Transporter ist auf Protein- und Funktionalitätsebene noch weiter zu charakterisieren. Als Nachteile des Modells sind fehlende Stoffwechselaktivität, Zilienbildung und mukoziliäre Clearance der nasalen Mukosa zu nennen. Dennoch erscheinen sowohl das reine Epithelmodell der Zelllinie RPMI 2650 als auch das dreidimensionale Modell für Permeations-Screenings als Alternative zu exzidierter Mukosa oder isolierten humanen nasalen Epithelzellen gut geeignet.Over the last decades, the nasal route became increasingly important for drug application. To study drug transport and permeation through the nasal mucosa, different in vitro models have been developed. The aim of this study was to develop an organotypic model of the human nasal mucosa for in vitro drug permeation studies. The focus was on the passive permeation through the barrier via the paracellular and transcellular pathways, in addition to a model substance of high molecular weight. Human nasal epithelial cells in primary culture were as well used as excised human nasal mucosa and the immortalized human nasal epithelial cell line RPMI 2650. To observe the influence of human nasal fibroblasts (HNF) on the properties of the cell layer, a method to isolate and cultivate HNF was established. Contact- and non-contact-coculture of epithelial cells and HNF were examined. Additionally, the mRNA expression of selected efflux transporters in the cell culture models was evaluated using PCR and a model substance for permeation studies. Furthermore, the intraindividual differences of the barrier properties of the nasal mucosa were examined using excised porcine mucosa from different locations in the nasal cavity. The findings suggest that it is possible to form a permeation model of the nasal mucosa with the immortalized human nasal epithelial cell line RPMI 2650. In conclusion, a permeation barrier for passive permeation of hydrophilic, lipophilic and large compounds was achieved, which resembles the barrier properties of human nasal mucosa. The mRNA expression of certain ABC efflux transporters could be shown, while further studies must be completed to evalute protein functionality. Keeping in mind the limits of the models, both the RPMI 2650 epithelial model on Transwell filter inserts, and the three-dimensional reconstructed human nasal mucosa model are promising alternatives for excised mucosa to evaluate passive permeation of substances through the nasal mucosa