Microfluidic-based 3D hepatic cell cultivation as a new in vitro tool for inflammation study

Abstract

The liver is a vital organ which performs a variety of important functions, including protein synthesis, detoxification, carbohydrate metabolism and innate immunity, mainly by the hepatocytes. In this thesis, a new perfused 3D culture model for human hepatocyte cells lines (HepG2 and HepaRG) using a commercial microfluidic device will be presented that combines different advantages for the in vitro cultivation of hepatocytes to apply for the study of hepatic inflammatory responses. First, matrigel-embedded HepG2 cells cultured in the microfluidic device showed a high survival rate and improved hepatic functions compared to static two- and three-dimensional culture models. Next, we further investigated interplay between Interleukin-6 (IL-6) and melatonin in HepG2 cells-on-a-chip regarding acute phase response, detoxification, glucose metabolism, and mitochondrial functions. Additionally, HepaRG cells, the hepatic stem cell line, were successfully directly differentiated in the microfluidic device and produced C-reactive proteins by IL-6 stimulation. Altogether, this new in vitro model is not only applicable to investigation of hepatic physiology and inflammatory responses, but can also be a tool for the differentiation of different types of stem cells.

Die Leber ist ein lebenswichtiges Organ. Sie übt eine Vielzahl von wichtigen Funktionen aus, einschließlich Proteinsynthese, Entgiftungen, Kohlehydrat-Stoffwechsel und angeborene Immunabwehr, vor allem geleistet durch Hepatocyten. In dieser Arbeit wird ein neues perfusionsbasiertes 3D Kulturmodell vorgestellt für humane Hepatocytenlinien (HepG2 und HepaRG), basierend auf einer kommerziellen, mikrofluidischen Plattform, welche die verschiedenen Vorteile verbindet wie die Kultivierbarkeit der Hepatocyten in vitro mit der Untersuchbarkeit von Leberentzündungsreaktionen. Zuerst konnte für Matrigel-eingebettete HepG2-Zellen eine hohe Überlebensrate bei Kultivierung in mikrofluidischen Systemen gezeigt, sowie verbesserte Leberfunktionen nachgewiesen werden, im Vergleich zu den statischen 2D und 3D Kulturmodellen. Als nächsten Schritt wurde das Zusammenspiel von Interleukin-6 (IL-6) mit Melatonin bei HepG2-Zellen-on-a-chip untersucht hinsichtlich Akut-Phasenverlauf, Entgiftung, Glukosemetabolismus und Mitochondrien-Funktionen. Des Weiteren konnten HepaRG-Zellen, eine Leberstammzell-Linie, direkt in der mikrofluidischen Plattform differenziert werden und produzierten nach Stimulation durch IL-6 C-reaktives Protein. Zusammenfassend kann dieses neue in vitro Modell nicht nur zur Untersuchung der Leberphysiologie und Entzündungsantwort verwendet werden, sondern ebenfalls als Werkzeug zur Differenzierung von verschiedenen Typen von Stammzellen.