Modeling human bronchial epithelial-mesenchymal interactions in culture

Abstract

Generating cell culture model that capture lung/bronchial histology in normal and disease condition is of great importance for understanding normal lung epithelial differentiation and disease progression. In bio sciences in vitro models are common to mimic in vivo conditions. The air-liquid interface (ALI) system has been frequently used to mimic the development of lung epithelium. When bronchial epithelial cells with stem cells properties are cultured in ALI they form a pseudostratified epithelium with functional tight junction proteins. However in the human body each cell is in constant communication with other cell types so co-culture models can give a better view of how and what drives cells into differentiation.Epithelial to mesenchymal transition (EMT) is a well defined process in embryonic development and wound healing. In EMT the epithelial cells lose their cell to cell adhesion and gain a mesenchymal phenotype with migrational abilities. EMT has recently been related to diseases such as cancer and is one of the hypothesis regarding the origin of fibrotic tissue in lung fibrosis like Idiopathic pulmonary fibrosis (IPF).The aim of this study was to establish a co-culture model of lung progenitor cells by culturing them in air-liquid interface (ALI) together with mesenchymal-like cells cultured in collagen matrix. Furthermore the aim was to compare the culture model with both normal tissue and tissue samples from IPF patients, with respect to EMT. Long term plan is to develop a model that can be used to understand origin and progression of severe lung diseases like IPF, where cause of the disease is unknown.A well established bronchial-derived basal epithelial cell line, VA10, was cultured in air-liquid interface (ALI) condition. Cells were cultured for 2 weeks with and without collagen gel and collagen gel containing mesenchymal cells derived from VA10, referred to as VA10M. After culture period samples were analyzed regarding differentiation and EMT. Tissue samples of both healthy lungs and IPF lungs were stained with EMT markers and compared to results from the culture model.The established culture model revealed that epithelial cells in co-culture with mesenchymal cells gained increased epithelial phenotype with higher expression of E-cadherin and lower expression of Vimentin and N-cadherin. Cells also expressed more of mucins, indicating an increase of differentiation. Tissue samples from IPF patients revealed higher expression of the wound healing marker CK14 and expression of Vimentin and N-cadherin that is absent in samples from healthy lungs. From these results we claim that the culture model is currently not representing IPF conditions, but has good potential to be further developed to study epithelial-stromal interactions in human airways; both with regard to homeostasis and disease.

Þróun frumuræktunarlíkans sem fangar vefjafræði heilbrigðra berkja og lungna ásamt sjúkdómsástandi er afar mikilvægt fyrir skilning á bæði sérhæfingu lungnaþekju og framgangi sjúkdóma. Í lífvísindum er oft notast við in vitro líkön til þess að líkja eftir in vivo ástandi. Loft-vökva ræktir (e. air-liquid interface, ALI) hafa iðulega verið notaðar til að líkja eftir uppbyggingu berkjuþekju. Þegar berkjuþekju frumur með stofnfrumu eiginleika eru ræktaðar við ALI skilyrði mynda þær sýndarlagskipta þekju sem hefur starfhæf þéttitengi. Í mannslíkamanum eru allar frumur í stöðugum samskiptum við aðrar frumugerðir, þannig að samræktunarlíkön geta gefið betri mynd af því hvað hvetur frumur áfram í frumusérhæfingu.Bandvefsumbreyting (e. epithelial to mesenchymal transition, EMT) er mikilvægt ferli í fósturþroska þar sem þekjufrumur taka á sig bandvefslíka svipgerð og öðlast við það skriðhæfileika. EMT hefur nýlega verið tengt við sjúkdóma eins og krabbamein og er einnig ein af tilgátunum um tilurð bandvefsmyndunar í lungnatrefjunarsjúkdómum á borð við Lungnatrefjun af óþekktum uppruna (e. Idiopathic pulmonary fibrosis, IPF).Markmið rannsóknarinnar var að þróa samræktunarlíkan fyrir berkjuþekjufrumur með því að rækta þær við ALI skilyrði bæði með og án bandvefsfruma. Ennfremur var markmiðið að bera saman niðurstöður úr frumuræktunarlíkani við bæði heilbrigð vefjasýni úr lungum og vefjasýni frá IPF sjúklingum með tilliti til EMT svipgerðar.Langtímamarkmið er að frumuræktunarlíkanið geti nýst til að skoða tilurð og framþróun lungnasjúkdóma á borð við IPF þar sem upptök sjúkdómsins eru enn ókunn.Vel skilgreind lungnaþekju grunnfrumulína, VA10, var ræktuð við ALI skilyrði. Frumur voru ræktaðar í 2 vikur með og án bandvefs-líkra frumna (VA10) sem komnar voru frá VA10 eftir að hafa gengið í gegnum EMT. VA10 var látin mynda sýndarlagskipta þekju í ALI rækt með og án VA10M í kollageni. Eftir ræktun voru sýnin rannsökuð með tilliti til frumusérhæfingar og EMT. Vefjasýni úr heilbrigðu lunga og frá IPF sjúklingum voru mótefnalituð fyrir kennipróteinum EMT og niðurstöður bornar saman við niðurstöður frá frumuræktunum.Frumuræktunarlíkanið sýndi að þekjufrumur í samrækt með bandvefsfrumum styrktu þekju svipgerð sína með aukinni tjáningu á E-cadherin og lægri tjáningu á Vimentin og N-cadherin. Frumurnar höfðu einnig aukna tjáningu á slímpróteinum (e. mucins), sem gefur til kynna aukningu á frumusérhæfingu. Vefjasýni frá IPF sjúklingum höfðu meiri tjáningu á próteini tengdu viðgerðarstarfsemi, CK14 og tjáðu auk þess bæði Vimentin og N-cadherin en tjáningu á þeim er ekki að finna í heilbrigðum lungnavef. Niðurstöður rannsóknarinnar sýna að frumuræktunarlíkanið líkir ekki eftir aðstæðum í IPF en með frekari þróun gæti líkanið verið mikilvægt tæki til þess að skoða þekjuvefs-stoðvefs samskipti í loftvegum; bæði hvað varðar samvægi og sjúkdómsástand.