Corneal Endothelial Tissue Engineering: From Biological to Synthetic Scaffolds

Datum: 27 januari 2020

Locatie: UAntwerp - Campus Drie Eiken - Building O - Auditorium O5 - Universiteitsplein 1 - 2610 WILRIJK (route: UAntwerpen, Campus Drie Eiken)

Tijdstip: 17 - 19 uur

Promovendus: Bert Van den Bogerd

Promotor: Prof. K. Koppen, Prof. S. NĂ­ Dhubhghaill & Prof. N. Zakaria

Korte beschrijving: PhD defence Bert Van den Bogerd - Faculty of Medicine and Health Sciences (Presentation in English)

Abstract
The corneal endothelium is the most inner cell layer of the human cornea, which is the transparent window of the eye. It functions as a leaky barrier to facilitate to exchange of nutrients and water to the avascular cornea. It is a monolayer of hexagonal cells with the foremost task to maintain the cornea’s specific hydration status and thus concomitant transparency. However, they do not possess the proper machinery for tissue regeneration. That is why the absolute number of cells only decreases throughout life. When the process of inevitable cells loss is aggravated by disease or (surgical) trauma, the cornea will inadvertently swell and lose its transparency, which leads to visual impairment and blindness. If left untreated, this results in the formation of epithelial bullae, blisters on the front side of the cornea, which cause excruciating pain for the patient on top of visual impairment.

At this moment, such patients can only be helped through the transplantation of a donor endothelium from a cadaveric cornea. Despite good clinical outcomes, the amount of available donor corneas does not meet the tissue demand. That is why I explored the cultivation of human corneal endothelial cells on different substrates to develop an ex vivo grown corneal endothelium. In this way, the global donor shortage could be alleviated by providing a therapy to multiple patients with one donor cornea.

In this thesis, three different substrates were tested for their propensity to act as a cell scaffold for corneal endothelial culture and transplantation. The first two, the human anterior lens capsule and a collagen fish scale derived scaffold, were biologically derived, but were not appropriate for the proposed application. On the one side, the anterior lens capsule displayed good cytocompatibility, but had a rather limited diameter and was still dependent on a donor supply. On the other side, the fish scale scaffold displayed an extensive surface topography which hampered monolayer formation. That is why we have investigated a third scaffold, namely a synthetic ultrathin scaffold that was developed in collaboration with UGent, composed of a poly-(D,L)-lactic acid base and a gelatin coating. Initial experiments show optimal physicochemical properties and a biological proof-of-concept to grow immortalized and primary corneal endothelial cells. In the future, this novel composite scaffold will further be investigated in an ex vivo model of corneal endothelial transplantation before being tested in a rabbit model of corneal endothelial keratoplasty.

Het corneale endotheel is de binnenste cellaag van het menselijke hoornvlies, ofwel cornea genoemd. Dit is een enkele cellaag met als belangrijkste functie de transparentie van het hoornvlies te garanderen door zijn hydratatiestatus op een specifiek niveau te houden. Corneale endotheelcellen zijn daarom heel belangrijk, maar ironisch genoeg bezitten zij niet de capaciteit om zichzelf te regenereren, zodat het absolute aantal cellen in het hoornvlies alleen maar daalt vanaf de geboorte. Wanneer dit proces wordt versneld door complicaties tijdens oogoperaties of door congenitale aandoeningen, zal het hoornvlies onherroepelijk opzwellen en zijn transparantie verliezen. Dit leidt tot visuele beperking en blindheid op lange termijn. Bovendien zorgt dit oedeem voor het ontstaan van kleine blaren op de voorkant van het hoornvlies die enorm pijnlijk zijn voor de patiënt.

Momenteel kunnen deze patiënten enkel geholpen worden door een nieuw corneaal endotheel te implanteren, afkomstig van een donorhoornvlies van een overleden patiënt. Ondanks dat deze techniek goed werkt, is het aantal donorhoornvliezen wereldwijd te laag om alle patiënten in nood te helpen. Dat is waarom in deze thesis gezocht werd naar nieuwe celdragers om zo meerdere endotheelcellagen te maken en dus meerdere patiënten te kunnen helpen met slechts één donorhoornvlies.

In deze thesis werden drie verschillende kandidaat-celdragers onderzocht of zij geschikt waren voor de kweek en transplantatie van corneale endotheelcellen. De eerste twee exemplaren waren biologische membranen, namelijk het anterieure lenskapsel en een collageen membraan afgeleid van visschubben. Aan de ene kant bleek het lenskapsel, ondanks goede celcompatibiliteit, te klein voor de vertaling naar een klinische toepassing. Aan de andere kant was de oppervlaktestructuur van het collageen membraan afgeleid van visschubben te uitgesproken en verhinderde zo de groei van endotheelcellen. Om deze limieten te overkomen hebben we, in samenwerking met de UGent, een derde membraan ontwikkeld en onderzocht. Deze ultradunne, synthetische celdrager is een combinatie van een polymelkzuur membraan met daarbovenop een gelatine coating. Uit de eerste experimenten kunnen we afleiden dat dit membraan optimale fysicochemische eigenschappen bezit. Verder is het ook aangetoond dat het mogelijk is om hierop geïmmortaliseerde en primaire endotheelcellen te groeien met het correcte fenotype. In de toekomst zal deze celdrager verder getest worden in een ex vivo transplantatiemodel om later getest te worden in een konijnmodel voor corneale endotheliale transplantatie.



Inkomprijs: free

Inschrijven: not required

Link: http://www.uantwerpen.be/en/about-uantwerp/faculties/faculty-medicine-health-sciences/