Proteomic analysis of the native and fibrotic human liver matrisome for organ engineering

Abstract

A persistent demand in suitable grafts has underscored the need for the development of bioartificial organs. Despite global effort to innovate novel alternatives, the creation of transplants yet faces fundamental challenges that are related to organ specific functionality and immunogenicity and hinder current approaches from clinical translation. A vital objective to successfully implement bioartificial organs into clinical practice is the creation of complex biomaterials that will mediate regenerative capacities for long-lasting performance of newly developed grafts.

In this thesis, I present in-depth analysis of human derived liver extracellular matrices by utilizing a label-free shotgun proteomic approach. By applying various decellularization and defatting strategies to fabricate organotypic tissues for proteomic measurements, this work aims to provide insights into the native human liver matrisome to determine the overall complexity that needs to be taken into account when creating novel biomaterials to be functionalized in the development of bioartificial organs. Furthermore, by utilizing the devised experimental workflow for the analysis of fibrotic and cirrhotic human liver extracellular matrices, proteomic features were detected that can be potential targets for therapeutic exploitation. In addition to these two intertwining research threads, this thesis introduces a versatile platform to further functionalize the created human liver extracellular matrices by enabling a facile combination of these scaffolds with prevailing technology to successfully translate various bioengineering approaches from concept to therapeutic reality.

The results obtained from human liver matrices support the necessity of including proteomic techniques in interpreting processes underlying tissue homeostasis and regeneration. Proteomic analysis of native tissues provides cues to be utilized in the creation of bioartificial products. This information shall bridge the gap between currently available digital fabrication technology and the clinical usage of functional organ replacements. Furthermore, by analyzing fibrotic and cirrhotic human derived liver scaffolds, specific characteristics were described that demand further investigation to fully understand signaling pathways underlying the emergence of fibrosis and cirrhosis.

Eine anhaltende Nachfrage nach geeigneten Transplantaten hat die Notwendigkeit der Entwicklung bio-artifizieller Organe unterstrichen. Trotz globaler Bemühungen steht die Erzeugung von Transplantaten noch vor grundlegenden Herausforderungen, die mit der organspezifischen Funktionalität und Immunogenität zusammenhängen und aktuelle Ansätze an der klinischen Translation hindern. Ein wichtiges Ziel für die erfolgreiche Einführung bioartifizieller Organe in die klinische Praxis ist die Entwicklung und Herstellung komplexer Biomaterialien, welche zu Regeneration fähig sind und somit eine langanhaltende biologische Leistung ermöglichen. Im Rahmen dieser Dissertation führte ich eine eingehende Analyse von extrazellulären Lebermatrizes humanen Ursprungs unter Verwendung eines label-free shotgun proteomischen Ansatzes durch. Durch die Anwendung verschiedener Dezellularisierungs- und Entfettungsstrategien zur Herstellung organotypischer Gewebe für proteomische Analysen zielt diese Arbeit darauf ab, Einblicke in das native humane Lebermatrisom zu geben, um die gesamte Komplexität zu bestimmen, die bei der Herstellung neuartiger Biomaterialien zur Entwicklung bio-artifizieller Organe zum Einsatz kommen sollte. Des Weiteren wurde der entworfene experimentelle Arbeitsablauf verwendet, um proteomische Merkmale fibrotischer und zirrhotischer humaner Lebermatrizes zu identifizieren, die potenzielle Ziele für eine therapeutische Nutzung sein können. Zusätzlich zu diesen beiden miteinander verknüpften Forschungsfäden wird in dieser Arbeit eine vielseitig anwendbare Plattform zur umfangreichen Funktionalisierung der extrazellulären Lebermatrizes humanen Ursprungs vorgestellt. Hierdurch soll die Kombination dieser Matrizes mit vorherrschenden Technologien erleichtert werden, um die verschiedenen Ansätze des Bioengineerings erfolgreich vom Konzept zur therapeutischen Realität umzusetzen. Die in dieser Arbeit präsentierten Ergebnisse aus humanen Lebermatrizes unterstreichen die Relevanz proteomischer Techniken bei der Interpretation der Prozesse, die der Gewebehomöostase und -regeneration zugrunde liegen. Die Untersuchung der proteomischen Landschaft natürlicher Gewebe liefert Kenntnisse, die in der Erzeugung bioartifizieller Produckte verwendet werden können. Diese Informationen sollen die Lücke zwischen verfügbaren digitalen Fertigungstechnologien und dem klinischen Einsatz funktioneller Organersatzprodukte schließen. Darüber hinaus wurden durch die Analyse von fibrotischen und zirrhotischen humanen Lebermatrizes spezifische Eigenschaften beschrieben, die weitere Untersuchungen erfordern, um die der Entstehung von Fibrose und Zirrhose zugrunde liegenden Signalwege vollständig zu verstehen.