The clinical development of human cell and gene therapies (CGT) suffers from a lack of adequate preclinical testing [1]. Animal models are of limited value as they cannot be used to directly test CGT products for human use for their reactivity to foreign tissue [1]. Immunodeficient mice reconstituted with human immune cells are significantly better in this respect, as these models are capable of simulating human immune responses to infections, tumors, and therapies. However, they still lack the proper human immune/tissue interactions and exhibit poor engraftment of immune cells, which limits their utility. CGTs, such as regulatory T cells (Treg), have the potential to be highly effective, particularly in the context of transplantation. This is due to their capacity to mitigate alloreactivity and rejection responses through their immunoregulatory function. In order to investigate the safety and efficacy of Treg therapy, the objective of this thesis was to establish a novel in vitro model based on the HUMIMIC® chip platform of TissUse GmbH as a test system for Treg activity in a clinically relevant setting of alloreactivity. Before Treg could be tested in this platform, proof of concept (PoC) in terms of tissue rejection had to be demonstrated with this model. The first three of the four stages of the rejection process of vascularized allotransplants could be replicated: i) priming of immune cells, ii) homing of primed and (re)activated immune cells to the allograft, iii) recognition and attack of donor-derived endothelial cells, and iv) migration into the graft and destruction of parenchymal cells. This dissertation provides a detailed account of the differentiation and comprehensive characterization of iPSC-derived endothelial cells and kidney organoids, which were used as foreign tissues in the HUMIMIC® chip platform for the PoC study of the rejection process. Mixed lymphocyte cultures were also characterized to demonstrate the induction of inflammation and tissue destruction in the rejection process. To enhance the engraftment of T cells in the kidney organoid model, a secondary objective was to capillarize the organoids. Despite the successful establishment of microvessel formation on the chip, vascularization of kidney organoids proved to be difficult. Nevertheless, the in vitro model for testing the rejection (stages i-iii) of donor-derived endothelial cells, which are a major target of alloreactivity, was successfully established both statically and dynamically using the HUMIMIC® Chip2vasc platform. This in vitro assay has therefore significant potential for testing immunosuppressive drugs and cell therapies, particularly in the context of transplant rejection, offering a viable alternative to existing animal models.
Die klinische Entwicklung humaner Zell- und Gentherapien (CGT) leidet unter einem Mangel an angemessenen präklinischen Tests in Tiermodellen [1]. Tiermodelle sind nur von begrenztem Wert, da sie nicht verwendet werden können, um CGT-Produkte für den menschlichen Gebrauch auf ihre Reaktivität gegenüber fremdem Gewebe zu testen [1]. Die Verwendung von immundefizienten Mäusen, die mit menschlichen Immunzellen rekonstituiert werden, stellt eine erhebliche Verbesserung dar, da diese Modelle in der Lage sind, menschliche Immunreaktionen auf Infektionen, Tumore und Therapien zu simulieren. Allerdings können die Wechselwirkungen zwischen menschlichem Immunsystem und Gewebe nicht untersucht werden, was ihren Nutzen einschränkt. CGTs, wie z. B. regulatorische T Zellen (Treg), haben das Potenzial, hochwirksame Medikamente zu sein, insbesondere im Zusammenhang mit Transplantationen. Dies ist auf ihre Fähigkeit zurückzuführen, Alloreaktivität und Abstoßungsreaktionen durch ihre immunregulatorische Funktion abzuschwächen. Um die Sicherheits- und Wirksamkeitsaspekte der Treg-Therapie zu untersuchen, wurde ein neuartiges in vitro Modell als Testplattform für die Treg-Aktivität in einem klinisch relevanten Umfeld der Alloreaktivität entwickelt. Das sollte mit der HUMIMIC®-Chip-Plattform der TissUse GmbH erreicht werden. Bevor Treg in der Testplattform getestet werden können, musste zunächst die Abstoßung von Gewebe nachgewiesen werden. Der Abstoßungsprozess vaskularisierter Allotransplantate lässt sich in vier Hauptphasen unterteilen, von denen die ersten drei in dem vorgeschlagenen Modell nachgebildet werden können: i) Priming von Immunzellen, ii) Homing von geprimten und (re)aktivierten Immunzellen zum Allotransplantat, iii) Erkennen und Angriff von Endothelzellen des Spenders und iv) Migration in das Transplantat und Zerstörung von Parenchymzellen. In dieser Dissertation wird die Differenzierung und Charakterisierung von iPSC-abgeleiteten Endothelzellen und Nierenorganoiden, die Fremdgewebe im Kontext der Abstoßung darstellen, detailliert beschrieben. Zusätzlich wurde die Charakterisierung gemischter Lymphozytenkulturen eingesetzt, um die Induktion von Entzündungen und Gewebedestruktionen als Teil des Abstoßungsprozesses zu demonstrieren. Um das Einschleusen von T Zellen in das Nierenorganoidmodell zu verbessern, war ein zweites Ziel die Kapillarisierung der Organoide. Trotz der erfolgreichen Etablierung der Mikrogefäßbildung auf dem Chip erwies sich die Vaskularisierung der Nierenorganoide als schwierig. Dennoch wurde der Abstoßungstest von Endothelzellen des Spenders, einem Hauptziel der Alloreaktivität, sowohl statisch als auch dynamisch innerhalb der HUMIMIC® Chip2vasc-Plattform erfolgreich etabliert. Dieser in vitro Test hat ein erhebliches Potenzial für die Prüfung von immunsuppressiven Medikamenten und Zelltherapien, insbesondere im Zusammenhang mit der Abstoßung von Transplantaten, und bietet eine praktikable Alternative zu bestehenden Tiermodellen.
