Application of 3D tissue models of lung epithelium to study toxic effects of air pollutants and nanoparticles

Abstract

Tato disertační práce zkoumá, jak dopravní emise ovlivňují epitel lidských dýchacích cest při expozici na rozhraní vzduch-kapalina (ALI), a to jak za laboratorních, tak reálných podmínek. Vyvinuli jsme a validovali přenosnou ALI platformu, která byla použita při testování různých paliv, typů vozidel a lokalit-včetně opakovaných (vícedenních) expozic, které zachytily pozdní biologické reakce, jež často unikají krátkodobým testům. Napříč všemi studiemi měly kompletní emise silnější a fyziologicky relevantnější účinky než organické extrakty, což podtrhuje důležitost interakcí mezi plynnou a pevnou složkou. Z hlediska mechanismů jsme pozorovali následující: časná aktivace dráhy AhR-CYP1A1, oxidační stres, a následně zánětlivé či imunomodulační účinky, které závisely na použitém buněčném modelu a původu dárce. Vícedenní expozice odhalily časově závislé (časné vs. pozdní) efekty a kompenzační reakce, které jednorázové testy nezaznamenaly, což podporuje použití chronických ALI expozic v toxikologickém screeningu. Reálné expozice odhalily praktická omezení a faktory, které je třeba standardně reportovat a kontrolovat. Závěrem můžeme konstatovat, že kombinace reálných expozic vnějšímu prostředí s relevantními ALI modely je nejen možná, ale i nezbytná. Propojuje charakterizaci emisí a biologickou...

This thesis examines how complete, traffic-related emissions affect human airway epithelium when exposed at the air-liquid interface (ALI) under laboratory and real-world conditions. We developed and validated a portable ALI platform and used it across fuels, vehicles and sites, including repeated (multi-day) exposures that captured delayed responses often missed by short experiments. Across studies, whole exhaust emissions caused stronger and more physiologically relevant effects than organic extracts, underscoring the importance of gas-particle interactions. Mechanistically, responses followed a conserved pattern: early AhR- CYP1A1 signalling, oxidative stress, and then inflammatory or immunomodulatory effects, dependent on cell model and donor. Multi-day exposures revealed time-dependent (early vs. late) effects and compensatory responses that single-dose tests overlooked, supporting chronic ALI exposures for regulatory and screening purposes. Field exposures revealed the technical limitations and factors that must be reported and controlled. Overall, combining real-world exposures with human-relevant ALI models is both possible and necessary. It closes the gap between physico-chemical characterisation and biological interpretation, and it supports standardised reporting (dose metrics, flows,...