Wachstum humanen respiratorischen Epithels auf Kollagenfolie

Zusammenfassung

Hintergrund: Der klinische Einsatz bioartifizieller Trachealprothesen scheitert bisher an den fehlenden Möglichkeiten, das Prothesenlumen mit einem funktionsfähigen respiratorischen Epithel zu besiedeln. Basierend auf den Methoden des Tissue Engineering werden in dieser Arbeit zwei Ansätze verglichen, respiratorisches Epithel in vitro zu vermehren und als differenziertes Gewebe zu erhalten. Methoden: Humane Nasenschleimhautexplantate (n = 6, Abmaße 4 × 4 mm) wurden auf Kollagenfolie aufgebracht und als Gewebekulturen für 4, 6 und 8 Wochen inkubiert. In der zweiten Versuchsreihe erfolgte die Besiedlung der Kollagenfolie (n = 6) mit einer Suspension aus enzymatisch vereinzelten Nasenschleimhautzellen. Zellwachstum und Zilienschlag wurden durch ein lnversionsmikroskop mit Videoeinrichtung und Hoffman-Modulationskontrast beobachtet und dokumentiert. Je 2 der Gewebekulturen wurden nach 4, 6 und 8 Wochen histologisch aufgearbeitet. Ergebnisse: In den Gewebekulturen wurde die Kollagenfolie zunächst durch Fibroblasten aus dem submukösen Anteil des Nasenschleimhautexplantates besiedelt, bevor darüber Epithelzellen auswuchsen. Die Epithelschicht bestand überwiegend aus Flimmerepithel, das ab der 4. Woche in vitro in mehreren Arealen einen metachronen Zilienschlag entwickelte. Die ziliäre Aktivität konnte bis zum Versuchsende noch nach 8 Wochen beobachtet werden. In den Suspensionskulturen wuchsen morphologisch überwiegend mesenchymale Zellen. Die vereinzelten epithelialen Zellen wiesen keine ziliäre Aktivität auf. Schlußfolgerung: In unserer Studie zeigten sich Gewebeexplantate für das Tissue Engineering von respiratorischem Epithel der Verwendung von Zellsuspensionen überlegen. Kollagenfolie als Trägermaterial induziert die Bildung einer Fibroblastenschicht, als Grundlage für die Ausbildung von respiratorischem Epithel in vitro.

Background: Clinical application of bioartificial tracheal prosthesis must still be regarded as an experimental concept because restoration of a functional respiratory epithelium outlining the prosthesis is still not possible. Tissue engineering as a relatively new biotechnological discipline may offer new methods in expanding differentiated respiratory epithelium in vitro. In this study we compare two different cell and tissue culture procedures for growing human nasal mucosa on commercially available collagen foil. Material and methods: Harvested specimens of human nasal mucosa (n = 6, 4 × 4 cm) were placed on collagen foil and incubated as tissue cultures for 4, 6 and 8 weeks. A suspension of enzymatically dispersed nasal epithelium seeded on collagen foil (5 × 10⁵ cells) served as control. Cell growth and ciliary beat were monitored through an inverted microscope with Hoffman's modulation contrast and video set-up. Histological examination was performed after 4, 6 and 8 weeks. Results: In the tissue cultures, the collagen foil was initially covered with fibroblasts growing from the mucosa specimen before epithelial cells spread out. The epithelial layer showed mostly ciliated cells which developed metachronous ciliary beat after 4 weeks in vitro. Ciliary activity was observed until the end of the experiments in 8 weeks. New cells on the suspension cultures were mesenchymal and did not exhibit any ciliary activity. Conclusions: Mucosa specimens seem to be more appropriate for tissue engineering of respiratory epithelium than cell suspensions from nasal epithelium. Collagen foil as tissue scaffold initiates epithelial-mesenchymal interaction and may play an important role in epithelial differentiation of new respiratory epithelium.

Schlüsselwörter:

Respiratorisches Epithel - Kollagenfolie - Tissue Engineering

Key words:

Respiratory epithelium - Collagen foil - Tissue engineering

Literatur

• 1 Herberhold C. Transplantation of larynx and trachea in man.  Eur Arch Otorhinolaryngol. 1992;  1 247-255
• 2 Jacobs J R. Investigations into tracheal prosthetic reconstruction.  Laryngoscope. 1988;  98 1239-1245
• 3 Berghaus A. Grundlagen und Grenzen zur Anwendung von porösem Polyethylen in der rekonstruktiven Kopf-Hals-Chirurgie unter besonderer Berücksichtigung des Trachealersatzes. Habilitationsschrift, Freie Universität Berlin 1986
• 4 Egbers G, Planck H, Gerhardt H J, Kaschke O. Entwicklung eines voll integrierbaren alloplastischen Luftröhrenersatzes. DGF-Abschlußbericht, Förderkennzeichen 0702492 1993
• 5 Kaschke O, Gerhardt H J, Böhm K, Wenzel M, Planck H. Die Epithelisierung poröser Biomaterialien mit isolierten respiratorischen Epithelzellen in vivo.  HNO. 1995;  43 80-88
• 6 Olze H, Kaschke O, Müller W D. Untersuchungen zur Verbesserung des Designs eines alloplastischen epithelisierten Tracheaersatzes.  HNO. 1997;  45 453-459
• 7 Bals R. Zelltypen der Atemwegsepithelien: Morphologie, Molekularbiologie und klinische Bedeutung.  Pneumologie. 1997;  51 142-149
• 8 Herberhold C, Stein M, Bierhoff E, Kost S. Trachealrekonstruktion mit konserviertem trachealen Homograft - Neue Aspekte.  Laryngo-Rhino-Otol. 1999;  78 54-56
• 9 Bootz F, Reuter G. Cellular differentiation after free grafting of respiratory epithelia.  Eur Arch Otorhinolaryngol. 1991;  248 502-507
• 10 Bootz F, Reuter G, Giebel W, Galic M. Mukoziliäre Aktivität von frei transplantiertem respiratorischem Epithel.  HNO. 1992;  40 300-305
• 11 Wintermantel E, Mayer J, Blum J, Eckert K L, Luscher P, Mathey M. Tissue Engineering scaffolds using superstructures.  Biomaterials. 1996;  17 301-310
• 12 Berghaus A. Eine neue Trachealprothese.  Otorhinolaryngol Nova. 1992;  2 232-237
• 13 Joerissen M, van den Schueren B, van den Berghe H, Cassiman J J. The preservation and regeneration of cilia on human nasal epithelial cells cultured in vitro.  Arch Otorhinolaryngol. 1989;  246 308-314
• 14 Joerissen M, van den Schueren B, van den Berghe H, Cassiman J J. Ciliogenesis in cultured human nasal epithelium.  ORL. 1990;  52 368-374
• 15 Ross U H, Wittmann G. Living epithelial-mesenchymal compounds formed in vitro suitable for autografting.  Eur Arch Otorhinolaryngol. 1997;  254 12-17
• 16 Chopra D P, Kern R C, Mathieu P A, Jacobs J R. Successful in vitro growth of human respiratory epithelium on a trachael prosthesis.  Laryngoscope. 1992;  102 528-531
• 17 Rautiainen M, Matsune S, Yoshitsugu M, Ohyama M. Degeneration of human respiratory cell ciliary beat in monolayer cell culture.  Eur Arch Otorhinolaryngol. 1993;  250 97-100
• 18 Bohnert A, Hornung J, Mackenzie I C, Fusenig N E. Epithelial-mesenchymal interactions control basement membrane production and differentiation in cultured and transplanted mouse keratinocytes.  Cell Tissue Res. 1986;  244 413-429
• 19 Hay E D. Role of basement membranes in development and differentiation. In: Kefalides NA (Hrsg) Biology and chemistry of basement membranes. New York; Academic Press 1978: 119-136
• 20 Emerman J T, Pitelka D R. Maintenance and induction of morphological differentiation in dissociated mammary epithelium on floating collagen membranes.  In Vitro. 1977;  13 316-328
• 21 Grobstein C. Mechanisms of organogenetic tissue interaction.  Natl Cancer Inst Monogr. 1967;  26 279-299
• 22 Baeza-Squiban A, Romet S, Moreau A, Marano F. Progress in outgrowth culture from rabbit tracheal explants: balance between proliferation and maintenance of differentiated state in epithelial cells.  In Vitro Cell Dev Biol. 1991;  27A 453-460
• 23 Chevillard M, Hinnrasky J, Zahm J M, Plotkowski M C, Puchelle E. Proliferation, differentiation and ciliary beating of human respiratory ciliated cells in primary culture.  Cell Tissue Res. 1991;  264 49-55
• 24 Billingham R E, Reynolds J. Transplantation studies on sheets of pure epithelium and on epidermal cell suspensions.  Br J Plast Surg. 1952;  5 25-36
• 25 Gallico G G, O'Connor N E, Compton C C, Remensnyder J P, Kehinde O, Green H. Cultured epithelial autografts for giant congenital naevi.  Plast Reconstr Surg. 1989;  84 1-9