Projects

​Development of a lung organoid model to study
fetal lung maturation

Das Verbundprojekt zwischen der Universität Leipzig und dem Fraunhofer Institut für Zellterapie und Immunologie beschäfftigt sich mit der Entwicklung muriner und humaner Lungenorganoide als Modellsystem zur Therapieentwicklung und Wirkstofftestung bei perinatalen Lungenerkrankungen. Diese hoch aktuelle und vielversprechende 3D-Zellkulturmethode birgt großes Potential für die Grundlagenforschung, wie auch für die translationale Forschung.

Preterm infants frequently suffer from pulmonary complications due to the physiological and structural lung immaturity resulting in significant morbidity and mortality. Novel in vitro and in vivo models are required to study the underlying mechanisms of late lung maturation and to facilitate the development of new therapeutic strategies. Organoids are self-organizing three-dimensional (3D) structures that can be grown from stem cells or defined tissue-specific progenitor cells. They supposedly recapitulate structural organization and functionality of the organ, and can be used to model developmental and disease processes, although actual organ-like functionality has yet to be determined. We aim to establish fetal lung organoids (LOs) as an in vitro model to study fetal lung maturation and to compare these LOs with fetal lungs in vivo. The functionality of our model will be analyzed comparing gene expression as well as ion channel activity (Patch-Clamp) of the LOs with fetal lung slices. Thereby we will determine whether this in vitro model is representative of the organ in vivo and could be used for the development of new therapeutic approaches stimulating fetal lung maturation to alleviate pulmonary complications in preterm infants.

​Das männliche und weibliche Frühgeborene ein unterschiedliches Risiko für pulmonale Komplikationen aufweisen, ist seit mehr als 40 Jahren bekannt. So leiden männliche Frühgeborene fast doppelt so häufig an einem Atemnotsyndrom. Die Ursache dieses Geschlechtsunterschieds haben wir adressiert und konnten Unterschiede im epithelialen Natriumtransport zeigen, der direkt mit der perinatalen Flüssigkeitsabsorption korreliert. Dieser Prozess ist bei weiblichen Frühgeborenen besser ausgereift, was zu einer verbesserten Anpassung an die Luftatmung führt.

The incidence of morbidities like lung edema or respiratory distress syndrome (RDS) is more frequent in male premature infants. However, the reason for this discrepancy is largely unknown. Sodium transport across the epithelial Na+ channel (ENaC) and the Na,K-ATPase along with the following alveolar fluid absorption are the main parameters for occurrence and progression of lung edema. Therefore, sex specific differences in the activity of the sodium transporters might explain the frequency of the morbidities. In this project, we want to address sex-specific differences in sodium transport and determine possible causes for the gender imbalance of the RDS in premature infants.

Einzelkanalanalyse und Charakterisierung pulmonaler Ionenkanale in fetalen und adulten Lungenschnitten

Elektrophysiologische Untersuchungen sind vor allem in der Neurologie weit verbreitet. Im Gegensatz dazu sind nur einige wenige Labore weltweit in der Lage pulmonale Ionenkanäle an vitalen Lungenschnitten mittel Patch Clamp Analyse zu untersuchen. Im Rahmen des Projekts war Dr. M. Laube Ende 2018 an der Universität von Alabama in Birmingham tätig, um die Technik an adulten Lungenschnitten zu erlernen. 2019 wurde diese Technik im Forschungslabor der Neonatologie in Leipzig aufgebaut und etabliert. Da wir v.a. an den Ionenkanälen der fetalen Lunge interessiert sind, wurde die Messung fetaler Lungenschnitte, sowie fetaler Lungenorganoide etabliert. Damit sind wir weltweit das einzige Labor, was diese Analysen durchführt. Durch den Vergleich fetaler und adulter Lungenschnitte sollen Unterschiede in der Ionenkanalausstattung und Aktivität abhängig vom Entwicklungsstadium erforscht werden.

​Electrophysiological analysis is a common technique in neurological research. In contrast, only few laboratories worldwide are able to measure pulmonary ion channels in vital lung slices with the patch clamp technique. Within this project, Dr. M. Laube was visiting the University of Alabama at Birmingham at the end of 2018, to learn the technique using adult lung slices. In 2019, the technique was established in the research laboratory of the neonatology in Leipzig. Because we are mainly interested in the ion channels of the fetal lung, measurements of fetal lung slices and fetal lung organoids were further established. Notably, we are the only laboratory worldwide conducting these measurements. By comparing fetal and adult lung slices, differences in ion channel composition and activity will be determined depending on the developmental stage of the tissue.​

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Einfluss der epithelial-mesenchymalen Wechselbeziehung auf die epithelialen Ionentransportvorgänge in fetalen Typ II Pneumozyten

Eine Ko-Kultivierung alveolarer Epithelzellen mit Lungenfibroblasten führt zu einer Steigerung der Ionentransportvorgänge in den Typ II Pneumozyten. Es ist bekannt, dass Fibroblasten die Reifung von Alveolarzellen durch die Sezernierung eines Fibroblasten-Pneumozyten-Faktors (FPF) stimulieren, dessen Zusammensetzung jedoch noch nicht eindeutig geklärt ist. Neuregulin-1β, KGF sowie Leptin stellen potentielle Komponenten des FPFs dar und in diesem Projekt konnten wir zeigen, dass die Kandidatenfaktoren nicht an der Steigerung der Ionentransportvorgänge beteiligt sind. Daher ist es nun geplant die Zusammensetzung des Fibroblasten-konditionierten Mediums massenspektrometrisch zu untersuchen. Die für die geplanten Analysen notwendigen Voruntersuchungen wurden bereits abgeschlossen. Da bisher keine Möglichkeit existiert die Ionentransportvorgänge im Alveolarepithel spezifisch zu steigern, sollen diese Untersuchungen weitere Ansatzpunkte zur Behandlung pulmonaler Komplikationen identifizieren.

​Co-cultivation of alveolar epithelial cells with lung fibroblasts leads to an increase of ion transport in alveolar type II cells. It is known that fibroblasts induce the differentiation of alveolar cells by secretion of the so-called fibroblast-pneumocyte factor (FPF), however; the composition of FPF is yet unknown. Neuregulin-1β, KGF and leptin have been proposed as potential components of FPF, but we showed that these candidate factors are not able to induce epithelial ion transport. Therefore, we now plan to analyze the composition of fibroblast-conditioned medium with mass spectrometry. The preliminary work necessary for these analyses has been conducted. Because until now epithelial ion transport cannot be stimulated specifically, these analyses will identify novel option to treat pulmonary complications. 

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Einfluss der epithelial-mesenchymalen Wechselbeziehung auf die epithelialen Ionentransportvorgänge in fetalen Typ II Pneumozyten

Eine Ko-Kultivierung alveolarer Epithelzellen mit Lungenfibroblasten führt zu einer Steigerung der Ionentransportvorgänge in den Typ II Pneumozyten. Es ist bekannt, dass Fibroblasten die Reifung von Alveolarzellen durch die Sezernierung eines Fibroblasten-Pneumozyten-Faktors (FPF) stimulieren, dessen Zusammensetzung jedoch noch nicht eindeutig geklärt ist. Neuregulin-1β, KGF sowie Leptin stellen potentielle Komponenten des FPFs dar und in diesem Projekt konnten wir zeigen, dass die Kandidatenfaktoren nicht an der Steigerung der Ionentransportvorgänge beteiligt sind. Daher ist es nun geplant die Zusammensetzung des Fibroblasten-konditionierten Mediums massenspektrometrisch zu untersuchen. Die für die geplanten Analysen notwendigen Voruntersuchungen wurden bereits abgeschlossen. Da bisher keine Möglichkeit existiert die Ionentransportvorgänge im Alveolarepithel spezifisch zu steigern, sollen diese Untersuchungen weitere Ansatzpunkte zur Behandlung pulmonaler Komplikationen identifizieren.

​Co-cultivation of alveolar epithelial cells with lung fibroblasts leads to an increase of ion transport in alveolar type II cells. It is known that fibroblasts induce the differentiation of alveolar cells by secretion of the so-called fibroblast-pneumocyte factor (FPF), however; the composition of FPF is yet unknown. Neuregulin-1β, KGF and leptin have been proposed as potential components of FPF, but we showed that these candidate factors are not able to induce epithelial ion transport. Therefore, we now plan to analyze the composition of fibroblast-conditioned medium with mass spectrometry. The preliminary work necessary for these analyses has been conducted. Because until now epithelial ion transport cannot be stimulated specifically, these analyses will identify novel option to treat pulmonary complications.​