Tissue-engineered vascularized models: from airway-virus interaction to mesenchymal stromal cell potential

Gonzalez Rubio, Julian; Thiebes, Anja Lena; Cornelissen, Christian Gabriel

doi:10.18154/RWTH-2025-05808

Tissue-engineered vascularized models: from airway-virus interaction to mesenchymal stromal cell potential

Gonzalez Rubio, Julian^RWTH*

2025

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Julian Gonzalez Rubio, M. Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2025

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2025, Kumulative Dissertation

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak10

Hauptberichter/Gutachter
Thiebes, Anja Lena (Thesis advisor)^RWTH* ; Cornelissen, Christian Gabriel (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-06-25

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-05808
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1013938/files/1013938.pdf

Einrichtungen

Institut und Lehrstuhl für Angewandte Medizintechnik (811001-1 ; 923510)

Projekte

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
SARS-CoV-2 (frei) ; airway (frei) ; angiogenesis (frei) ; iPSCs (frei) ; organ-on-chip (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 610

Kurzfassung
Herkömmliche In-vitro-Modelle wie 2D-Zellkulturen können die komplexe Mikroumgebung und pathologische Prozesse von In-vivo-Geweben nicht ausreichend nachbilden. 3D-Gewebe-Modelle hingegen bieten eine biomimetische Plattform indem sie unterschiedliche Zelltypen und eine nativere Organisation integrieren. Ziel dieser Arbeit ist es, ein neues vaskularisiertes Modell zu verwenden, um die Reaktion von Atemwegsgewebe auf Viruspartikel zu untersuchen und die Reproduzierbarkeit künftiger Modelle durch Verwendung von unterstützenden Zellen aus induzierten pluripotenten Stammzellen (iPSZ) zu verbessern. In der ersten Studie wird untersucht, wie sich SARS-CoV-2-Partikel auf die Differenzierung des Atemwegsepithels und die Barrierefunktion auswirken. Die Zugabe von ultraviolett-bestrahlten Viruspartikeln in ein vaskularisiertes 3D-Atemwegsmodell aus Endothel-, trachealen mesenchymalen und Atemwegsepithelzellen induziert eine starke Ziliierung. Dies wird durch einen Anstieg von FOXJ1 und pPAK1/2 hervorgerufen, der zur Differenzierung von Basal- und Keulenzellen führt. Die Viruspartikel bewirken auch eine Beeinträchtigung der Barrierefunktion durch Verringerung von Tight Junctions. Die Ergebnisse geben Hinweise auf frühe epitheliale Reaktionen, die für das Verständnis von Infektionskrankheiten der Atemwege wie COVID-19 entscheidend sind. In der zweiten Studie wird ein mikrofluidischer Organ-on-a-Chip verwendet, um aus iPSZs stammende mesenchymale Stromazellen (iMSZ) als Alternative zu primären MSZ in vaskularisierten Modellen zu untersuchen. Primäre MSZs verbessern im Gegensatz zu iMSZ die Vaskularisierung deutlich, indem sie Endothelzellen zur Bildung eines Gefäßnetzwerks anregen, pro-angiogene Signalwege aktivieren und eine enge perivaskuläre Assoziation aufweisen. Obwohl die Ergebnisse zeigen, dass sich iMSZ nicht als Ersatz für primäre mesenchymale Zellen in vaskularisierten Modellen eignen, könnten sie als eine skalierbare und sicherere Alternative für regenerative Therapien bei pathologischer Vaskularisierung eingesetzt werden. Zusammengenommen zeigen diese Studien die Vielseitigkeit von tissue-engineerten vaskularisierten Modellen für die Untersuchung von Krankheitsmechanismen und die Weiterentwicklung von zellbasierten Therapien im respiratorischen und vaskulären Bereich.

Traditional in vitro models such as 2D cell cultures fail to recapitulate the complex microenvironment of in vivo tissues and their pathological processes. In contrast, 3D tissue-engineered models provide a more biomimetic platform, integrating multiple cell types and native-like organization. Thus, this thesis aims to apply a novel vascularized model to investigate the airway tissue response to viral particles and to improve the reproducibility of future models by inclusion of induced pluripotent stem cell (iPSC)-derived supporting cells. The first study explores how SARS-CoV-2 particles affect airway epithelial differentiation and barrier integrity. Treating vascularized 3D airway models comprising endothelial cells, tracheal mesenchymal cells, and airway epithelial cells with ultraviolet-irradiated virus particles strongly induces cell ciliation. This occurs through the increase of FOXJ1 and pPAK1/2, leading to the differentiation of basal and club cells. The viral particles also disrupt tight junctions and impair barrier function, shedding light on early epithelial responses critical for understanding respiratory infectious diseases like COVID-19.The second study uses a microfluidic organ-on-a-chip to investigate iPSC-derived mesenchymal stromal cells (iMSCs) as a potential alternative for primary MSCs in vascularized models. Primary MSCs, unlike iMSCs, markedly enhance vascularization by stimulating endothelial cells to form interconnected vessels, supported by pro-angiogenic signaling pathways and close perivascular association. Although this demonstrates that iMSCs are not suitable as substitutes for primary mesenchymal cells in vascularized models, they emerge as a scalable and safer alternative for regenerative therapies in conditions involving pathological vascularization. Together, these studies demonstrate the versatility of tissue-engineered vascularized models for elucidating disease mechanisms and advancing cell-based therapies in respiratory and vascular contexts.

OpenAccess:
PDF
(additional files)