EndoSpray – Effiziente Zellbesiedlung von biohybriden Lungen durch Zerstäubung von scherbeständigen Endothelzellen aus induzierten pluripotenten Stammzellen

• Antragstellerinnen: Dr. Ruth Olmer; Privatdozentin Dr. Anja Lena Thiebes
• Fachliche Zuordnung: Medizinische Physik, Biomedizinische Technik ; Zellbiologie
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 447712946

Chronische Atemwegserkrankungen sind weltweit eine der häufigsten Todesursachen durch nichtübertragbare Krankheiten, mit der chronisch obstruktiven Lungenerkrankung (COPD) als größter Anteil. Exazerbationen bei Patienten mit schwerer COPD sind häufig mit akutem Lungenversagen im Blut verbunden. Die damit verbundene Kohlenstoffdioxid-Retention erfordert künstliche Beatmung des Patienten. Sollte dies nicht ausreichen, muss eine extrakorporale Lungenunterstützung angewandt werden.Extrakorporale Lungenunterstützungssysteme weisen häufig Komplikationen wie Entzündungsreaktionen, Hämolyse, Blutungen und Thrombosen auf. Eine kontinuierliche intensivmedizinische Betreuung ist daher erforderlich. Darüber hinaus verringert die unspezifische Proteinadsorption an den Membranen allmählich die Gasaustauschleistung, die Membranen weisen eine begrenzte Hämo- und Biokompatibilität auf. Trotz vielfältiger Forschungsaktivitäten bleibt dieses Kernproblem bislang ungelöst.Daher wird eine Endothelialisierung der Gasaustauschmembranen vorgeschlagen, um eine natürliche, nicht-thrombogene Oberfläche zu bilden. Damit soll die langfristige Nutzung einer solchen biohybriden Lunge zugelassen und schließlich eine Implantation ermöglicht werden. Es wurden bereits einige Studien zur Endothelialisierung von Gasaustauschmembranen unternommen, bislang jedoch mit spärlichen Daten zum Gastransfer, begrenzten Langzeiterfolgen und ohne Nachweis der möglichen Hochskalierung.In diesem Projekt werden daher Endothelzell-Produktionsmethoden und Zellbesiedlungstechniken für die Entwicklung einer biohybriden Lunge untersucht. Eine ideale Zellquelle für die Endothelialisierung sollte autolog oder immunologisch inert sein und eine nicht-invasive Gewinnung ermöglichen. Darüber hinaus ist eine hohe Proliferationskapazität notwendig, die die Produktion von 1 - 2 Milliarden Endothelzellen ermöglicht, die für die Besiedlung eines Oxygenators benötigt werden. In diesem Projekt werden Endothelzellen abgeleitet aus humanen induzierten pluripotenten Stammzellen (hiPSC-ECs) verwendet. Differenzierungsprotokolle zur gezielten Generierung von hiPSC-ECs, die einen arteriellen Phänotyp und damit eine höhere Scherbeständigkeit aufweisen, werden ebenso untersucht wie die Protokoll-Optimierung zur Generierung großer Zellmengen in Bioreaktoren.Die Zellzerstäubung (Sprühen) gilt als effiziente und universelle Methode, um Zellen auf verschiedene Substrate aufzubringen. Für die Endothelzell-Besiedlung von Gasaustauschmembranen ist das Zellsprühen geeignet, um eine einheitliche Zellschicht zu erzeugen. In diesem Projekt werden wir das mittel- und langfristige Verhalten von hiPSC-ECs nach der Zerstäubung insbesondere unter dynamischer Beanspruchung untersuchen. Abschließend wird mit den beschriebenen Technologien ein Machbarkeitsnachweis für einen endothelialisierten Modelloxygenator mit Langzeittestung durchgeführt.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2014: Auf dem Weg zur implantierbaren Lunge
• Mitverantwortlich: Privatdozent Dr. Christian Cornelissen