Autologous coculture of primary human alveolar epithelial cells and macrophages for evaluating the safety and efficacy of novel inhalation pharmaceuticals

Abstract

Animal experiments are general practice to study safety and to estimate the efficacy of orally inhaled drugs in preclinical trials. The relevance of these data for humans is questionable. The aim of this thesis is the development of a relevant in vitro model of the air-blood barrier that can better predict the human in vivo situation. The first chapter describes how particle uptake by alveolar macrophages can be visualized in vitro by correlative light and electron microscopy (CLEM). The second chapter focuses on the development of a cellular in vitro model addressing the alveolar space. The human alveolar autologous coculture consists of primary alveolar type I-like pneumocytes cocultured with primary alveolar macrophages from the same human donor. The model demonstrated its use to investigate cell-particle inreractions at the air-liquid interface. Only macrophages engulfed foreign particles in the in vitro model visualized by CLEM. The ability of the autologous coculture to mimic inflammatory processes in the lung is the focus of the third chapter. The in vitro model showed a typical interleukin release of inflammatory markers after stimulation with lipopolysaccharides. A subsequent treatment with IL-10 loaded particles counterregulated the inflammation.

Tierversuche sind gängige Praxis um Unbedenklichkeit oder Wirksamkeit von Inhalanda in präklinischen Studien zu untersuchen. Die Relevanz der durch Tierversuche generierten Daten für den Menschen wird zunehmend in Frage gestellt. Das Ziel dieser Arbeit ist deshalb die Entwicklung eines für den Menschen relevanten in vitro Modells der Blut-Luft-Schranke zur genaueren Vorhersage der humanen in vivo Situation. Im ersten Kapitel wird beschrieben, wie die Aufnahme von Partikeln in Alveolarmakrophagen mit Korrelativer Licht- und Elektronenmikroskopie (CLEM) in vitro visualisiert werden kann. Das zweite Kapitel legt den Fokus auf die Entwicklung eines zellulären alveolaren in vitro Modells. Die humane autologe Kokultur besteht aus primären alveolaren Typ-I ähnlichen Pneumozyten, welche mit primären Alveolarmakrophagen des gleichen Spenders kokultiviert werden. Das Modell erwies sich als geeignet, um Zell-Partikel-Interaktionen zu untersuchen, wobei die Partikel direkt aus der Luft auf die Zelloberfläche abgeschieden wurden. Mittels CLEM konnte gezeigt werden, dass es lediglich die Makrophagen sind, die die Fremdpartikel aufnehmen. Der Fokus des dritten Kapitels liegt auf der Fähigkeit der autologen Kokultur entzündliche Prozesse nachzuahmen. Das in vitro Modell zeigte eine typische Freisetzung entzündlicher Marker nach Stimulation mit Lipopolysacchariden. Eine anschließende Behandlung mit IL-10 beladenen Partikeln führte zu einer anti-inflammatorischen Wirkung.