Engineering a 3D human lung model system to study the disease crosstalk within the alveolar epithelium

Kastlmeier, Miriam Theresa (2024): Engineering a 3D human lung model system to study the disease crosstalk within the alveolar epithelium. Dissertation, LMU München: Medizinische Fakultät

Abstract

By direct differentiation it is possible to generate induced alveolar type II cells (iAT2s) from human induced pluripotent stem cells (hiPSCs). The 3D alveolar organoid model represents a promising method to study vice-versa cellular crosstalk during lung fibrosis in vitro, display pro- fibrotic mediators and identify potential targets for therapeutic approaches of treating lung diseases. Capture 6.1 “Rescue of STAT3 Function in Hyper-IgE Syndrome Using Adenine Base Editing” put the focus on correcting the most common STAT3-HIES causing heterozygous STAT3 mutations via CRISPR-Cas9-mediated adenine base editors (ABEs). The generated patient-derived hiPSCs showed preserved plasticity by their capability to successfully differentiate into lung progenitors and consecutively alveolar organoids. It is an essential assumption with regard to therapeutic relevant purposes that hiPSCs treated with ABE retain their plasticity. Respectively, by demonstrating that repaired hiPSCs derived from patient fibroblasts can generated alveolar organoids, it can be seen as proof-of-principle that it is feasible in a therapeutically aspect to use gene editing in the treatment of STAT3-HIES. Alveolar epithelial type 2 cells (AT2s) have secretory and regenerative roles in lung homeostasis and serve as cellular progenitors of the lung alveoli. Through the secretion of surfactant, it is the task of the AT2s to lower the surface tensions and prevent the alveoli to collapse. Impaired functional development and loss of the capacity to secret surfactant promote a pro-fibrotic phenotype and contributes to the progression of interstitial lung diseases (ILDs). Capture 6.2 “Cytokine signaling converging on IL11 in ILD fibroblast provokes aberrant epithelial differentiation signatures” aimed to identify pertinent mediators of the vice-versa mesenchymal- to-epithelial crosstalk. Through mass spectrometry we characterized the secretom of ILD lung fibroblast and non-chronic lung disease fibroblasts from patients and detected 47 abundant proteins by comparing the two set-ups. The ILD secretome consisted prevalent of chemokines, signaling growth factors like Interleukin 11 (IL11) and proteins needed for extracellular matrix (ECM) remodeling and epithelial-to-mesenchymal transition. However, treating 3D monocultures of iAT2s with IL11 we recapitulated the co-culture results obtained with primary ILD fibroblasts including changes in metabolic activity as well as organoid formation capacity and size. Our analysis identified mesenchyme-derived mediators contributing to the disease-perpetuating mesenchymal-to-epithelial crosstalk in ILD. By using sophisticated alveolar organoid co-cultures, we indicated the importance of cytokine-driven divergent epithelial differentiation and confirmed IL11 as a key player in ILD.

Abstract

Durch direkte Differenzierung ist es möglich, induzierte Alevolarzellen des Typ 2 (iAT2s) aus humanen induzierten pluripotenten Stammzellen (hiPSCs) zu erzeugen. Das 3D alveolar-Organoid-Modell stellt eine vielversprechende Methode dar, um die zelluläre Interaktion während Lungenfibrose in vitro zu untersuchen, pro-fibrotische Mediatoren aufzuzeigen und potenzielle Ziele für therapeutische Ansätze zur Behandlung von Lungenkrankheiten zu identifizieren. In Kapitel 6.1 "Rescue of STAT3 Function in Hyper-IgE Syndrome Using Adenine Base Editing" lag der Schwerpunkt auf der Korrektur der häufigsten STAT3-HIES verursachenden heterozygoten STAT3-Mutationen durch CRISPR-Cas9-vermittelte Adenin-Basen-Editoren (ABEs). Die aus Patienten gewonnenen hiPSCs zeigten eine erhaltene Plastizität durch ihre Fähigkeit, sich erfolgreich in Lungenvorläuferzellen und anschließend in alveolaren Sphäroiden zu differenzieren. Im Hinblick auf therapeutisch relevante Zwecke ist es eine wesentliche Annahme, dass mit ABE behandelte hiPSCs ihre Plastizität beibehalten. Durch den Nachweis, dass reparierte iPSCs, die aus Fibroblasten von Patienten stammen, alveoläre Sphäroide generieren können, kann dies als Grundsatzbeweis dafür angesehen werden, dass es unter therapeutischen Gesichtspunkten möglich ist, genetische Verfahren für die Behandlung von ST A T3-HIES einzusetzen. Pneumozyten vom Typ 2 (AT2) haben eine sekretorische und regenerative Rolle in der Lungenhomöostase und dienen als zelluläre Vorläufer der Alveolen. Durch die Sekretion von Surfaktanzien ist es die Aufgabe der AT2-Zellen die Oberflächenspannung zu senken und den Kollaps der Alveolen zu verhindern. Eine gestörte funktionelle Entwicklung sowie der Verlust der Fähigkeit zur Sekretion von Surfaktanzien, fördern einen pro-fibrotischen Phänotyp und tragen zum Fort- schreiten interstitieller Lungenerkrankungen (ILD) bei. Kapitel 6.2 "Cytokine signaling converging on IL11 in ILD fibroblast provokes aberrant epithelial diffe- rentiation signatures" zielte darauf ab, relevante Mediatoren der vice-versa Kommunikation von mesenchymalen zu epithelialen Zellen zu identifizieren. Mittels Massenspektrometrie charakterisierten wir das Sekretom von Lungenfibroblasten mit ILD und Fibroblasten von Patienten mit nicht-chronischer Lungenerkrankung und entdeckten 47 häufig vorkommende Proteine im Ver- gleich der beiden Gruppen. Das Sekretom der Fibroblasten mit ILD bestand überwiegend aus Chemokinen, signalgebenden Wachstumsfaktoren wie Interleukin 11 (IL11) und Proteinen, die für den Umbau der extrazellulären Matrix und bei dem Übergang vom Epithel zum Mesenchym benötigt werden. Indem wir 3D-Monokulturen von iAT2s mit IL11 behandelten, rekapitulierten wir die Ergebnisse der Co-Kultur mit primären ILD-Fibroblasten, einschließlich der Veränderungen der Stoffwechselaktivität sowie der Fähigkeit Sphäroide zu genieren. Durch unsere Analyse konnten wir mesenchymale Mediatoren identifizieren, welche bei der krankheitserhaltenden Kommunikation vom Mesenchym zum Epithel bei ILD auftauchen. Durch den Einsatz hochentwickelter alveolärer Co-Kulturen konnten wir die Bedeutung der durch Zytokine ausgelösten divergenten Epithelialdifferenzierung nachweisen und IL11 als Schlüsselakteur bei ILD bestätigen.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Themengebiete: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften ; 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 610 Medizin und Gesundheit
• Fakultäten: Medizinische Fakultät
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 17. Juli 2024
• 1. Bericht­erstatter:in: Götz, Magdalena