Development and testing of in vitro measurement system for epithelial barrier dynamics

Abstract

Epithelial barrier is an interface between tissue compartments formed by epithelial cells. It plays a central role in regulating the transport of fluids, ions, and other molecules in physiological processes. Research on the dynamics of the epithelial barrier is important because disruptions in its functions, particularly related to the tightness of the barrier, are a common cause of many diseases. More profound understanding of the function of the epithelial barrier helps to elucidate the mechanisms of many diseases and develop new treatment methods.

Transepithelial resistance (TER) measurements are a traditional method to assess epithelial barrier dynamics. As a structure that regulates the passage of substances, the epithelial barrier resists the movement of charged molecules through it, and thus, transepithelial resistance can be considered as a measure of ion permeability. TER measurements are a common way to assess integrity of epithelia non-invasively, but they also provide more precise information on the permeability of the epithelial barrier and the underlying mechanisms.

In this bachelor’s thesis, an existing measurement system was developed and tested to examine epithelial barrier dynamics, specifically transepithelial resistance and changes of it due to delivering pharmaceutics during cell culture, i.e., in vitro. Current methods are lacking a system that would allow administering drugs and studying changes in the epithelial barrier in real-time with sufficient accuracy. The study tested an injection device that can administer drugs to cells monitored by an automated TER measurement device while the device is inside an incubator. The focus was on the functionality, reliability, and compatibility to in vitro environment. The device was tested by injecting substances with known responses into Madin-Darby Canine Kidney (MDCK) cell line cells. The cells were cultured on semi-permeable membrane, and the transepithelial resistance of the epithelia formed by cells was monitored during the tests.

The results indicate that the injection device functions as expected and does not seem to cause disturbance in TER measurements. Some of the results were unexpected, indicating that the device is not yet entirely reliable and requires some adjustments and additional testing. Additionally, solutions to improve user-friendliness should be considered if the injection system's capacity is to be increased. Overall, based on the results, the measurements system is a promising tool for epithelial barrier dynamics research after a few adjustments.

Epiteelieste on epiteelisolujen muodostama rajapinta kudosten ja elinten eri osa-alueiden välillä. Sillä on keskeinen rooli nesteiden, ionien ja muiden molekyylien kuljetuksen säätelyssä fysiologisissa prosesseissa. Epiteeliesteen dynamiikkaan liittyvä tutkimus on tärkeää, koska epiteeliesteen toimintaan ja erityisesti sen tiiviyteen liittyvät häiriöt ovat yleinen syy monien sairauksien taustalla. Tarkempi ymmärrys epiteelin toiminnasta auttaa selvittämään monien sairauksien mekanismeja, sekä kehittämään uusia hoitomuotoja.

Transepiteliaalisen resistanssin (TER) mittaukset ovat perinteinen metodi epiteeliesteen dynamiikan tutkimiseen. Aineiden kulkua säätelevänä rakenteena epiteelieste vastustaa sen läpi tapahtuvaa varauksellisten molekyylien liikettä, ja transepiteliaalista resistanssia voidaan näin ollen pitää ionien läpäisevyyden mittarina. TER-mittaukset ovat yleinen keino tarkastella epiteelin eheyttä ei-invasiivisesti, mutta TER-mittaukset antavat myös tarkempaa tietoa epiteeliesteiden läpäisevyyden ja sen taustalla olevien mekanismien tutkimiseen.

Tässä kandidaatintyössä kehitettiin ja testattiin olemassa olevaa mittausjärjestelmää, jolla epiteelikudoksen dynamiikkaa, tarkemmin transepiteliaalista resistanssia, ja siinä eri lääkeaineiden vaikutuksesta tapahtuvia muutoksia, voitaisiin tarkastella soluviljelyn aikana eli in vitro. Nykyisissä menetelmissä on aukko järjestelmälle, jolla voitaisiin annostella lääkeaineita ja tutkia muutoksia epiteeliesteessä reaaliaikaisesti tarpeeksi tarkasti. Työssä testattiin injektiolaitetta, jolla voidaan annostella lääkeaineita soluja monitoroivaan automatisoituun TER-mittauslaitteeseen laitteen ollessa inkubaattorin sisällä. Tarkastelun kohteena oli injektiolaitteen toimivuus ja luotettavuus, sekä yhteensopivuus in vitro -ympäristöön. Laitetta testattiin injektoimalla aineita, joiden vaste on tiedossa, Madin-Darby Canine Kidney (MDCK) -solulinjan soluihin. Solut viljeltiin puoliläpäisevälle kalvolle ja niiden muodostaman epiteelin transepiteliaalista resistanssia seurattiin testauksen aikana.

Tulokset osoittavat, että injektiolaite toimii odotetulla tavalla, eikä näytä aiheuttavan häiriöitä TER-mittauksissa. Osa tuloksista on myös odottamattomia, ja ne osoittavat, että laite ei ole vielä täysin luotettava, vaan kaipaa muutamia korjauksia ja lisätestausta. Lisäksi on syytä harkita keinoja käyttömukavuuden parantamiseksi, mikäli injektiosysteemin kapasiteettia halutaan kasvattaa. Kokonaisuudessaan mittaussysteemi on tulosten perusteella potentiaalinen väline epiteeliesteen dynamiikan tutkimukseen muutamien korjausten jälkeen.