Enhanced Cell Adhesion to 3D Printed PEGDA 700 Hydrogel Membranes for Bronchial Epithelial Models

Abstract

Poor respiratory function can significantly impact health and well-being and even lead to fatal outcomes. Respiratory diseases are the third leading cause of death in EU countries and are primarily caused by chronic obstructive pulmonary disease, pneumonia, asthma, and influenza. Biomedical and pharmaceutical research has progressed significantly over the past few decades. Advancements in bioengineering and cell biology have shifted the focus towards 3D- and cocultures, developing human tissue models such as organoids and organ-on-chip, suitable for investigating defined mechanisms.This thesis aims to create a viable and confluent bronchial epithelial layer, using the BCiNS1.1 cell line seeded on a biochemically engineered PEGDA 700 hydrogel membrane, suitable for long-term epithelial cell cultivation and observation, that can eventually be integrated into a lung-on-chip model. It was hypothesized that modifying the surface of a PEGDA hydrogel membrane with relevant ECM adhesion proteins or ECM-like compounds could override PEGDA’s non-fouling property and instead, support the adhesion of basal cells and the establishment of a functional bronchial epithelial layer. The project demonstrates the feasibility of using 3D stereolithography to print PEGDA 700 hydrogels in high resolution, creating robust structures suitable for long-term cell culture observations. The results show that membranes around or below 20m thick allow for easy cell observation through a transparent membrane. Furthermore, the systematic approach to membrane coating revealed that surface modifications combining layers of Poly-L-lysine (PLL), collagen I, and fibronectin improved cell adhesion and viability and supported large viable cell patches during the culture. Further studies to refine this coating method for optimal density and layer proportions, reaching an even membrane coat, could become important to advancing PEGDA 700-based bronchial epithelial models and open new avenues for a number of biomedical applications.

Léleg öndunarfærastarfsemi getur haft veruleg áhrif á heilsu og lífsgæði fólks og getur alvarlegur brestur á starfseminni verið banvænn. Öndunarfærasjúkdómar eru þriðja algengasta dánarorsökin í löndum ESB og má oftast rekja til langvinnrar lungnateppu, lungnabólgu, astma eða inflúensu. Lífeinda- og lyfjarannsóknir hafa tekið miklum framförum á undanförnum áratugum. Framfarir í lífverkfræði og frumulíffræði hafa í auknu mæli beint sjónum að þrívíddarfrumuræktun- og samræktun frumna, sem nýtast svo í vefjalíkön sem hent vel til rannsókna á skilgreindum kerfum innan líkamans s.s. líffærlinga (e. organoids) og örflöguvefjalíkön (e. organ-on-chip). Markmið þessarar ritgerðar er að búa til lífvænlegt frumuþekjulag lungnaberkju-grunnfrumna af gerðinni BCiNS1.1 á umbreyttu yfirborði PEGDA 700 vatnsgelshimnu (e. hydrogel) sem hentar til langtímaræktunar og smásjárskoðunar. Með innleiðingu inn í örflögumódel sem framtíðar markmið. Tilgátan var sú að með meðhöndlun á PEGDA 700 yfirborði með viðeigandi ECM viðloðunarpróteinum eða ECM-líkum efnum mætti komast yfir tregðu PEGDA til þess að bindast frumum og ýta þess í stað undir viðloðun og ræktun heilbrigðs berkjuþekjulags. Í verkefninu var sýnt fram á kosti þess að nota „3D stereolithography“ tækni til að prenta PEGDA 700 vatnsgelsstrúktura í hárri upplausn sem henta undir frumuræktun. Niðurstöðurnar sýna að himnur um eða undir 20m gerir smásjárskoðun mögulega í gegnum gagnsæja himnuna. Enn fremur leiddi kerfisbundin nálgun við himnuhúðun PEGDA, til þess að auka viðloðunarhæfni, í ljós að lagskipt húðun með poly-L-lysine (PLL), kollageni I og fíbrónektíni bætti viðloðun frumna við himnuna sem og lífvænleika þeirra. Með þessari aðferð tókst að rækta lífvænlega frumufleti á meðan á ræktun stóð. Frekari betrumbætur á þessari húðunaraðferð til þess að hámarka þéttleika húðunarefna og lagahlutföll gætu orðið mikilvægur þáttur í að efla berkjufrumulíkön og önnur frumulíkön sem byggja á PEGDA geli og um leið skapað nýjar leiðir fyrir lungnasjúkdóma- og lyfjarannsóknir.