3D-bioprinted airways: A new breath to replace animal models for lung disease research

English: COPD is characterized by inflammation, chronic mucus hypersecretion (CMH), extracellular matrix (ECM) changes and abnormal lung tissue repair, leading to chronic cough and irreversible airway obstruction. CMH is associated with increased mucus producing cells. In the airways, epithelial cells interact with a layer of fibroblasts below an ECM layer. After injury, airway epithelial cell and fibroblast interactions are driven by released factors that help to repair healthy tissue or drive lung disease tissue changes. Airway tissue changes result from abnormal repair of the EMTU, and are associated with increased deposition of ECM proteins, by fibroblasts, which thicken the airway walls. Currently, we cannot study the complex interaction between epithelial cells, ECM and fibroblasts in three-dimension (3D) for an extended period of time. The rise of 3D bio-printing offers an exciting opportunity enabling different biomaterials and cells to be laid down very accurately at specific locations, such that complex tissue forms can be replicated with high precision. In this project, our team of biologists, doctors and pharmacologists will recreate a part of an airway wall using a bio-printer with ECM proteins, lung epithelial cells and fibroblasts from human donors with and without COPD, and track the cell interactions in the lab for long periods to resembles the COPD disease. We will print layers of cells embedded in a "bio-ink" with native ECM proteins from the lung cells. The top layer of the model will contain epithelial cells, which will be printed on a matrix (layer 2) containing ECM proteins from epithelial cells. As a third layer, a matrix (with ECM from fibroblasts) will be printed in which fibroblasts are embedded. This sandwich of epithelial cells, matrix and fibroblasts will be grown for several weeks with the epithelial cells exposed to the air just like in the lung. We will watch how the cells develop and what they release and investigate if the cells from COPD patients are different. We will use this model to test possible drugs to regulate this process. The development of this 3D bio-printed model for the airway wall in COPD will be an important tool for finding more effective treatments for COPD patients. Use of such a model is an important step towards reducing animal testing. Nederlands: Chronische obstructieve longziekte (COPD) is een longziekte die veroorzaakt wordt door roken. Mensen met COPD hebben last van kortademigheid en hoesten, veroorzaakt door overmatige slijmafscheiding, ontsteking, en een verstoorde weefselherstel reactie in de long. Te veel slijmafscheiding in COPD ontstaat door een te hoog aantal slijm producerende epitheelcellen. Daarnaast veroorzaakt roken verlittekening van de long door verhoogde activiteit van fibroblasten. Deze fibroblasten bevinden zich in de laag onder de epitheel cellaag. Fibroblasten zorgen voor stevigheid van de luchtwegwand door afgifte van eiwitten aan de matrix, het skelet, waarin ze zich bevinden. Epitheelcellen en fibroblasten maken beiden signaalstoffen die elkaars functie kunnen beïnvloeden. Hierbij is de extracellulaire matrix (ECM) belangrijk aangezien matrix eiwitten deze signaalstoffen kunnen binden, dan wel vrijgeven. Momenteel zijn er geen mogelijkheden om de complexe interactie tussen epitheelcellen, ECM en de fibroblast in 3D proefdiervrije systemen langdurig te bestuderen. De opkomst van het 3D bio-printen biedt uitkomst. Met deze techniek kunnen biologische materialen en cellen, laag-voor-laag nauwkeurig op specifieke locaties neergelegd worden. Interacties tussen epitheel, ECM en fibroblasten van menselijke oorsprong kunnen hierdoor in het lab langdurig bestudeerd worden. Een belangrijk voordeel is dat door het gebruik van materiaal van mensen met COPD het model, meer dan diermodellen, lijkt op de ziekte COPD in de mens. In dit project zal ons team van biologen, artsen en farmacologen een deel van de luchtwegwand nabouwen mbv de bio-printer gebruikmakend van matrix eiwitten, epitheel en fibroblasten afkomstig van patiënten en controles. De bovenste laag van het model bestaat uit epitheelcellen die mbv de printer geplaatst worden op een matrix. Deze geprinte matrix (laag 2) bevat ECM eiwitten afkomstig van epitheelcellen. Als derde laag zal een matrix geprint worden met daarin fibroblasten en ECM dat afkomstig is van fibroblasten. Deze sandwich van epitheel, matrix en fibroblasten zal gedurende enkele weken in kweek gehouden worden waarbij epitheelcellen kunnen uitrijpen naar verschillende soorten epitheelcellen, vergelijkbaar met de situatie in de patiënt. Uitrijping van extra slijm producerende cellen kan zo onderzocht worden. Ook kunnen stoffen getest worden die dit ongewenste proces zouden kunnen remmen. Het 3D bio-printer model voor de luchtwegwand in COPD wordt zo een belangrijk instrument om effectieve behandeling van COPD in patiënten sneller dichterbij te brengen en dierproeven voor het onderzoek naar COPD te verminderen.