Development and characterization of lung extracellular matrix-based models for respiratory research

Abstract

[eng] INTRODUCTION:

The human respiratory system is responsible for the oxygen and carbon dioxide exchange between the body and the external environment. It is composed of organs and tissues being the lungs the pivotal organ of the system. They facilitate the exchange of gases during respiration which is vital for sustaining cellular metabolism and body’s homeostasis.

Lungs are composed of a mesh of airways. The starting point is the trachea, which bifurcates into the two main bronchi that enter the right and left lungs. These bronchi are further divided into smaller bronchi and bronchioles, that finally leads to alveoli, tiny air sacs surrounded by blood vessels. The alveoli have an enormous surface area, allowing efficient diffusion of oxygen and carbon dioxide between air and the bloodstream. The oxygen is diffused to the capillaries and bound to haemoglobin inside the red blood cells (RBC) for their transportation across the whole body. Simultaneously, the waste product from the metabolism (carbon dioxide) is released from the capillaries to the alveoli to be released during exhalation.

HYPOTHESIS AND OBJECTIVES: According to the background previously explained, the hypotheses of this thesis are: a) The ECM lung-derived hydrogels will release bioactive therapeutic molecules which could interact with epithelial alveolar cells. b) Physiomimetic hydrogels derived from decellularized lungs will provide a most realistic substrate for culturing MSCs which will enhance the therapeutic effects of their secreted vesicles. c) Therapeutic intratracheal administration of lung derived hydrogel will ameliorate the pulmonary outcomes and reduce the physiologic changes in an ALI rat model. d) Aging has important implications in the ECM composition and stiffness, potentially modulating the behaviour of pulmonary cells and increasing the susceptibility to chronic lung diseases. e) The difference in ECM composition during aging will affect the ECM stiffness at different level of tissular strain.

Therefore, in order to improve therapies in severe respiratory diseases, the general aim of the project is to characterize the ECM - based approaches to be used for better understanding and outcome in ARDS. SPECIFIC AIMS: a) To characterize the proteins produced during the development of L-HG and released at different times and how they impact alveolar epithelial cells immunoresponse and migration capacity.

b) To characterize the secretome/EV’s of MSCs cultured in conventional flasks and on lung hydrogels and to test the therapeutic effects of both EVs released from MSCs and/or ECM-vesicles from lung-derived hydrogel in a wound-healing experimental model of lung repair. c) To assess whether ARDS therapy can be improved by using L-HG for intratracheal instillation on an in vivo LPS – induced ALI model compared to the cellular approach using MSCs. d) To investigate how aging affects the composition and stiffness of the lung ECM and how it can modulate its crosstalk between MSCs.

[cat] INTRODUCCIÓ:

El sistema respiratori humà és responsable de l'intercanvi d'oxigen i diòxid de carboni entre el cos i el medi extern. Es compon d'òrgans i teixits, sent els pulmons l'òrgan pivot del sistema. Faciliten l'intercanvi de gasos durant la respiració, que és vital per mantenir el metabolisme cel·lular i l'homeòstasi del cos.

Els pulmons es componen d'una malla de vies respiratòries. El punt de partida és la tràquea, que es bifurca en els dos bronquis principals que entren als pulmons dret i esquerre. Aquests bronquis es divideixen en bronquis i bronquíols més petits, que finalment condueixen a alvèols, petits sacs d'aire envoltats de vasos sanguinis. Els alvèols tenen una superfície enorme, que permet una difusió eficient de l'oxigen i el diòxid de carboni entre l'aire i el torrent sanguini. L'oxigen es difon als capil·lars i s'uneix a l'hemoglobina dins dels glòbuls vermells (RBC) per al seu transport a través de tot el cos. Simultàniament, el producte de rebuig del metabolisme (diòxid de carboni) s'allibera dels capil·lars als alvèols per alliberar-se durant l'exhalació.

HIPÒTESI I OBJECTIUS: Segons els antecedents explicats anteriorment, les hipòtesis d'aquesta tesi són: a) Els hidrogels derivats del pulmó de l'ECM alliberaran molècules terapèutiques bioactives que podrien interactuar amb les cèl·lules alveolars epitelials. b) Els hidrogels fisiomimètics derivats de pulmons descel·lularitzats proporcionaran un substrat més realista per al cultiu de MSC que millorarà els efectes terapèutics de les seves vesícules secretades. c) L'administració terapèutica intratraqueal d'hidrogel derivat del pulmó millorarà els resultats pulmonars i reduirà els canvis fisiològics en un model de rata ALI. d) L'envelliment té implicacions importants en la composició i la rigidesa de l'ECM, modulant potencialment el comportament de les cèl·lules pulmonars i augmentant la susceptibilitat a malalties pulmonars cròniques. e) La diferència en la composició de l'ECM durant l'envelliment afectarà la rigidesa de l'ECM a diferents nivells de tensió tissular.

Per tant, per tal de millorar les teràpies en malalties respiratòries greus, l'objectiu general del projecte és caracteritzar els enfocaments basats en ECM que s'utilitzaran per a una millor comprensió i resultats en SDRA. OBJECTIUS ESPECÍFICS: a) Caracteritzar les proteïnes produïdes durant el desenvolupament de L-HG i alliberades en diferents moments i com afecten la immunoresposta i la capacitat de migració de les cèl·lules epitelials alveolars.

b) Caracteritzar els secretomes/EV de MSC cultivades en matràs convencionals i en hidrogels pulmonars i provar els efectes terapèutics d'ambdues EVs alliberades de MSC i/o vesícules ECM d'hidrogel derivat del pulmó en un model experimental de reparació pulmonar de cicatrització de ferides. c) Avaluar si la teràpia amb SDRA es pot millorar mitjançant l'ús de L-HG per a la instil·lació intratraqueal en un model d'ALI induït per LPS in vivo en comparació amb l'enfocament cel·lular mitjançant MSC. d) Investigar com l'envelliment afecta la composició i la rigidesa de la MEC pulmonar i com pot modular la seva diafonia entre MSC.