Current airborne particulate toxicity screens require the culture of a ciliated, pseudostratified epithelium to achieve physiologically accurate cytotoxicity data. Air-liquid interface (ALI) is the de facto standard technique that is used to drive differentiation of epithelial cells towards an in vivo-like phenotype. This technique consists of exposing the apical side of the cellular surface to ambient incubator air, and the basal surface to culture medium which diffuses through a porous substrate. Microporous filters are most commonly used to achieve ALI for human bronchial epithelial cell (HBEC) culture. However, these filters are expensive and difficult to handle, and it remains unclear which biophysical cues specific to this culture system promote differentiation. Understanding how defined microenvironmental cues drive ALI-related differentiation is the first step towards eliminating the need for this complex culture processing condition. In this thesis, I hypothesize that exposure to increased oxygen levels present on the air-side of the ALI culture would trigger HBEC differentiation. Hence, properly designed hyperoxic culture system would eliminate the need for an ALI in in vitro pulmonary health studies. In this thesis, a model human bronchial epithelial cell line was used to confirm that cells were sensitive enough to minute oxygenation differences arising from the addition of an apical media layer during culture. A finite element simulation was designed to model the oxygen diffusion gradient present in apical media during submerged culture. This model aided us in the design of our hyperoxic incubator conditions. HBECs were then cultured in standard/ALI, standard/submerged and hyperoxic/submerged conditions and it was found that hyperoxic/submerged culture surprisingly promoted the highest level of differentiation. This work shows that ALI is not necessary for HBEC differentiation and that other microenvironmental characteristics of the filter culture system work in conjunction with proper oxygenation to allow for HBEC differentiation. A better understanding of these microenvironmental cues gained through these experiments can hence guide the design of novel high-throughput culture systems for airborne particulate toxicity studies.

Les études actuelles sur la toxicité des particules nécessitent un épithélium cilié et pseudostratifié pour atteindre des résultats de cytotoxicité pertinents. L'interface air-liquide (IAL) est la technique de facto utilisée pour promouvoir la différenciation de cellules épithéliales vers un phénotype ressemblant celui in vivo. Cette technique consiste d'exposer le côté apical de la surface cellulaire à l'air ambiant et la surface basale au milieu de culture qui diffuse à travers un substrat poreux. Les filtres microporeux sont traditionnellement utilisés pour atteindre une interface air-liquide durant la culture de cellules épithéliales bronchiques humaines (CÉBHs). Toutefois, ces filtres sont couteux and difficile à manipuler, et ce n'est pas connu quel signaux biophysiques émis par cette méthode de culture promeuvent la différenciation. Comprendre comment les signaux microenvironmentaux reliés a l'IAL influencent la différenciation est la première étape vers l'élimination du besoin de cette méthode de culture complexe. Nous avons comme hypothèse que les concentrations d'oxygène augmentés présents sur the coté d'air de l'IAL déclenchent la différenciation de CÉBHs. Par conséquent, si on conçoit un système hyperoxique idéal, on éliminerait le besoin de IAL dans les études de santé pulmonaire. Dans cette thèse, une lignée de cellules épithéliales bronchiques humaines à été utilisé pour confirmer que les cellules sont assez sensibles aux perturbations d'oxygène résultant de l'addition d'une couche de milieu de culture apical. Une simulation par éléments finis a été créé pour modeler la diffusion d'oxygène à travers cette couche de milieu durant la culture submergée. Ce model nous a aidé à sélectionner les conditions de culture hyperoxiques. Ensuite, des CÉBHs ont été culturés en conditions standard/IAL, standard/submergé et hyperoxique/submergé et on a observé que la culture hyperoxic/submergé entraine le plus haut niveau de différenciation. Ces résultats démontrent qu'une IAL n'est pas uniquement nécessaire pour la différenciation de CÉBHs et suggèrent que d'autres caractéristiques microenvironnementales permettent la différenciation cellulaire en conjonction avec l'oxygénation. Une meilleure compréhension de ces signaux environnementaux obtenue par ces expériences peut, par conséquent, guider le développement de nouveaux systèmes pour les études de toxicité à haut débit.