Onchocerciasis, the world's second-leading infectious cause of blindness in humans
–prevalent in Sub-Saharan Africa – is caused by Onchocerca volvulus (O. volvulus), an
obligatory human parasitic filarial worm. Commonly known as river blindness,
onchocerciasis is being targeted for elimination through ivermectin-based mass
drug administration programs. However, ivermectin does not kill adult parasites,
which can live and reproduce for more than 15 years within the human host. These
impediments heighten the need for a deeper understanding of parasite biology and
parasite-human host interactions, coupled with research into the development of
new tools – macrofilaricidal drugs, diagnostics, and vaccines. Humans are the only
definitive host for O. volvulus. Hence, no small-animal models exist for propagating
the full life cycle of O. volvulus, so the adult parasites must be obtained surgically
from subcutaneous nodules. A two-dimensional (2D) culture system allows that
O. volvulus larvae develop from the vector-derived infective stage larvae (L3) in vitro
to the early pre-adult L5 stages. As problematic, the in vitro development of
O. volvulus to adult worms has so far proved infeasible. We hypothesized that an
increased biological complexity of a three-dimensional (3D) culture system will
support the development of O. volvulus larvae in vitro. Thus, we aimed to translate
crucial factors of the in vivo environment of the developing worms into a culture
system based on human skin. The proposed tissue model should contain 1. skinspecific
extracellular matrix, 2. skin-specific cells, and 3. enable a direct contact of
larvae and tissue components. For the achievement, a novel adipose tissue model
was developed and integrated to a multilayered skin tissue comprised of epidermis,
dermis and subcutis. Challenges of the direct culture within a 3D tissue model
hindered the application of the three-layered skin tissue. However, the indirect coculture
of larvae and skin models supported the growth of fourth stage (L4) larvae in
vitro. The direct culture of L4 and adipose tissue strongly improved the larvae
survival. Furthermore, the results revealed important cues that might represent the
initial encapsulation of the developing worm within nodular tissue. These results
demonstrate that tissue engineered 3D tissues represent an appropriate in vitro
environment for the maintenance and examination of O. volvulus larvae. / Onchozerkose, die weltweit zweithäufigste infektionsbedingte Ursache für
Erblindung von Menschen, wird durch Onchocerca volvulus (O. volvulus) verursacht,
ein parasitärer Fadenwurm. Die allgemein als Flussblindheit bekannte
Onchozerkose wird mit dem Medikament Ivermectin bekämpft, das jedoch nicht die
adulten Parasiten tötet, die im Menschen mehr als 15 Jahre lang leben und sich
vermehren. Ein tieferes Verständnis der Biologie des Parasiten und dessen
Interaktionen im menschlichen Wirt ist für die Erforschung und Entwicklung neuer
Instrumente – makrofilarizide Medikamente, Diagnostika und Impfstoffe –
erforderlich. Da der Mensch der einzige Endwirt für O. volvulus ist, gibt es keine
Tiermodelle für dessen Vermehrung. Zu Forschungszwecken werden adulte Würmer
daher chirurgisch aus subkutanen Knoten erkrankter Individuen gewonnen. Ein
zweidimensionales (2D) Kultursystem ermöglicht die Entwicklung von aus dem
Vektor isolierten infektiösen O. volvulus-Larven (L3) bis zu einem frühen präadulten
Stadium. Als problematisch erwies sich bisher die in vitro Entwicklung von O. volvulus
bis zum adulten Wurm. Unsere Hypothese ist, dass eine erhöhte biologische
Komplexität des Kultursystems die Entwicklung von O. volvulus-Larven in vitro
unterstützt. Daher wurden entscheidende Faktoren der in vivo-Umgebung
entwickelnder Larven – die menschliche Haut – auf ein dreidimensionales (3D)
Kultursystem übertragen. Dieses Kultursystem sollte 1. Haut-spezifische
extrazelluläre Matrix enthalten, 2. hautspezifische Zellen und 3. einen direkten
Kontakt zwischen Larven und Gewebekomponenten ermöglichen. Dafür wurde ein
neuartiges Fettgewebemodell entwickelt, das in ein mehrschichtiges Hautgewebe
integriert wurde – bestehend aus Epidermis, Dermis und subkutanem Fettgewebe.
Die Anwendung des dreischichtigen Hautgewebes als direktes Kultursystem wurde
durch technische Herausforderungen verhindert. Jedoch unterstützte die indirekte
Ko-Kultur von Hautmodellen das Wachstum der Larven (L4) in vitro. Die direkte
Kultur mit dem Fettgewebemodell verbesserte die Viabilität der Larven signifikant.
Darüber hinaus konnten Anzeichen für eine beginnende Verkapselung der Larven
durch humane Zellen und Matrix gezeigt werden kann. Die Ergebnisse
demonstrieren, dass humane Gewebemodelle eine angemessene in vitro-Umgebung
für die Kultur und die Erforschung von O. volvulus darstellen.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uni-wuerzburg.de/oai:opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de:31717 |
| Date | January 2023 |
| Creators | Malkmus, Christoph |
| Source Sets | University of Würzburg |
| Language | English |
| Detected Language | Unknown |
| Type | doctoralthesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/deed.de, info:eu-repo/semantics/openAccess |
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