Dreidimensionale (3D) Gewebemodelle

Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB

Neue Medikamente und Substanzen sind vor der Zulassung hinsichtlich ihrer Qualität, Wirksamkeit und Unbedenklichkeit zu testen. Mangels gleichwertiger Alternativmethoden sind Tierversuche ein wichtiges Standardinstrument in der Arzneimittelforschung. Aufgrund artspezifischer Unterschiede sind Tierversuche jedoch nicht in jedem Fall sinnvoll für die Zulassung neuer Substanzen oder die Umsetzung neuer Therapien am Menschen.

Deshalb wurde am Fraunhofer IGB in den letzten Jahren verstärkt an der Entwicklung alternativer humaner Testsysteme gearbeitet, welche die komplexen Eigenschaften des Körpers widerspiegeln und die Untersuchung eines Stoffes nach ADMET-Kriterien (Absorption, Distribution, Metabolism, Excretion, Toxicity) erlauben. Diese Testsysteme basieren auf in vitro kultivierten humanen Primärzellen, Zelllinien oder adulten Stammzellen. Um die Funktionalität dieser Zellen in vitro zu gewährleisten, müssen Kulturbedingungen geschaffen werden, die der natürlichen Mikroumgebung der Zelle im Körper ähnlich sind. Dazu gehören neben der ausreichenden Versorgung der Zellen auch die Kokultur mit anderen Zelltypen sowie die Bereitstellung einer geeigneten Trägerstruktur.

Die Abteilung Zellsysteme hat sich auf den Aufbau solcher humaner dreidimensionaler Gewebe spezialisiert. Sie hat bereits 3-D-Testsysteme für verschiedene Anwendungen und Fragestellungen wie Substanztestungen oder Differenzierungsversuche von Stammzellen entwickelt.

Wissenswertes

  • ADMET: Eine Verbindung, die sich in vitro als wirksam erwiesen hat, muss noch kein geeigneter Wirkstoffkandidat sein. ADMET steht für Absorption, Distribution, Metabolismus, Exkretion und Toxizität – Kriterien, die maßgeblich die pharmakokinetischen und toxikologischen Eigenschaften eines potenziellen Arzneimittels bestimmen. Mit Untersuchung der ADMET-Parameter sind Aussagen darüber möglich, wie eine Verbindung vom Organismus aufgenommen, gegebenenfalls im Verdauungstrakt resorbiert und über den Blutstrom verteilt wird. Im Körper unterliegen die Substanzen biochemischen Umsetzungen, die zu wirkungslosen oder giftigen Abbauprodukten führen können. Es wird daher auch untersucht, ob und wie die Substanz verstoffwechselt und ausgeschieden wird.
  • Azellularisiert: Gewebe tierischen und menschlichen Ursprungs werden mit einer chemischen Lösung behandelt, um alle ursprünglichen Zellen zu entfernen. Dabei entsteht eine natürliche Trägerstruktur, die biokompatibel ist und am Fraunhofer IGB für den Aufbau von 3-D-Gewebe verwendet wird.
  • Enterozyten: Zellen, die das Darmrohr auskleiden und die Aufnahme (Absorption) von Nähr- und Arzneistoffen steuern.
  • Faszie: Bindegewebsschicht, die im Körper über ihre Stützfunktion die strukturelle Integrität von Geweben erhält.
  • Hepatozyten: Metabolisch aktive Zellen der Leber.
  • Hernie: Bezeichnet den Austritt von Eingeweiden aus der Bauchhöhle durch eine angeborene (z. B. Leistenbruch) oder erworbene Lücke (z. B. Narbenbruch) in den tragenden Bauchwandschichten.
  • Human: Zellen, die aus dem menschlichen Organismus stammen.
  • in vitro: (lateinisch, im Glas) bezeichnet den Umgang mit Zellen außerhalb des lebenden Organismus. (z.B. die Isolation, Kultivierung und Expansion von Zellen).
  • in vivo: in vivo bezeichnet alle molekularen Vorgänge im lebenden Organismus.
  • Porcine Zellen: Zellen, die aus dem Schwein isoliert werden.
  • REACH: REACH bezeichnet eine neue Chemikalienverordnung, die am 1. Juni 2007 in Kraft getreten ist. Diese setzt die Untersuchung von neuen und alten Chemikalien hinsichtlich deren Toxizität voraus. REACH steht für Registration, Evaluation, Authorisation and Restriction of Chemicals, also für die Registrierung, Bewertung, Zulassung und Beschränkung von Chemikalien. Unsere Modelle sind für Untersuchungen von Chemikalien nach der neuen EU-Chemikalienverordnung geeignet und zum Teil bereits akkreditiert.
  • Vaskularisiert: Das Blutgefäß betreffend. Unsere vaskulariserten Modelle bestehen aus kapillären Strukturen und sind mit Zellen des Blutgefäßsystems (Endothel) aufgebaut.

Projekte

Haut aus der Fabrik – Automated Tissue Engineering on Demand:
»Mass Customized Organ Replicates – Tissue Engineering on Demand«

Um die Nachfrage an In-vitro-Testsystemen kostengünstig und bei konstanter Qualität zu bedienen, arbeiten Wissenschaftler vom Fraunhofer IGB gemeinsam mit Kollegen der Fraunhofer-Institute IPT, IPA und IZI in einem von der Fraunhofer-Zukunftsstiftung finanzierten Projekt an der Automatisierung des Herstellungsprozesses. Die Prozesskette zur Herstellung der zweischichtigen Hautmodelle konnten sie bereits vollautomatisiert abbilden.

»Entwicklung und Evaluierung neuer Therapieformen für chronische Hauterkrankungen«

Der demografische Wandel in den Industrieländern manifestiert sich in einer wachsenden Zahl pflegebedürftiger Menschen und einer gleichzeitig rückläufigen Zahl verfügbarer Pflegekräfte. Dieser Entwicklung kann nur durch eine verbesserte Vorsorge, Kostenreduktion bei therapeutischen Verfahren durch höhere Effizienz und einem Ausbau der Selbstversorgung durch den Patienten begegnet werden. Ziel des Fraunhofer-Märkte-von-Übermorgen-Projekts ist die Entwicklung kostengünstiger Therapieverfahren für chronische Hauterkrankungen.

»Etablierung eines weißen Hautkrebsmodells zur Entwicklung und Optimierung neuer Lokaltherapien – SkinCancer«

Die Zahl der Hautkrebserkrankungen nimmt zu und es werden verstärkt neue Lokaltherapien entwickelt, um Hautkrebstumore vor einem operativen Eingriff zu dezimieren oder den Eingriff sogar vollständig zu ersetzen. Bislang gibt es jedoch keine geeigneten Testsysteme, um die neu entwickelten Therapien schnell und gezielt an menschlichen Zellen zu untersuchen und zu verbessern. Im Rahmen des von der Fraunhofer-Gesellschaft geförderten Projekts (MEF) soll ein dreidimensionales Hautkrebsmodell etabliert werden. Dabei soll das bestehende 3-D-Hautäquivalent durch das gezielte Einbringen von weißen Hautkrebszellen erweitert werden.

Molekulare und zellbasierte Systeme zur Risikoabschätzung von Nanomaterialien – NanoRisk « (Fraunhofer MEF)

Nanoskalige Materialien prägen innovative Entwicklungen über alle Branchen hinweg. Sie unterscheiden sich von Festkörpern oder größeren Partikeln ihrer Ausgangsmaterialien nicht nur in der Größe, sondern auch in ihren chemischen und physikalischen Eigenschaften. Bislang ist jedoch unklar, wie sich Nanopartikel auf den menschlichen Körper auswirken könnten. In Zusammenarbeit mit der Abteilung Molekulare Biotechnologie des Fraunhofer IGB werden deshalb das 3D Hautmodell und die MESSAGE-Technologie verknüpft werden, um so eine neue Methode zur Risikoabschätzung zu etablieren.

Darmmodell

Im Rahmen der Bekanntmachung »Effizienter Wirkstofftransport in biologischen Systemen – BioMatVital« des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) ist das Kooperationsprojekt „PeTrA“ entstanden. Projektpartner aus Industrie, Forschungsinstituten und Universitäten entwickeln gemeinsam eine Plattform für den effizienten epithelialen Transport für pharmazeutische Applikationen durch innovative, partikuläre Trägersysteme. Unsere Arbeitsgruppe wird in diesem Projekt ausgehend von dem bestehenden, 3-D-Darmgewebemodell ein neues Modell entwickeln, welches über die Integration von Immunzellen die Analyse von oral applizierten Vakzinformulierungen hinsichtlich ihrer Wirkungsweise im Darm ermöglicht.

Nierenmodell

Die Niere ist das Hauptausscheidungsorgan für Medikamente und ihren Metabolite. Da es für die Untersuchung von Transportprozessen oder nierentoxischen Wirkungen bisher keine validierten humanen In-vitro-Modelle gibt, werden bisher hauptsächlich Tiermodelle in der Arzneimittelentwicklung angewendet. Am Fraunhofer IGB wird derzeit ein Modell entwickelt, welches die Untersuchung des Transports sowie der potenziellen toxischen Wirkungen von Substanzen bzw. Wirkstoffkandidaten in vitro ermöglichen soll.

Leistungen

  • Zellisolierung aus Biopsiematerial
  • Zellcharakterisierung und -sortierung
  • Aufbau, Etablierung und Validierung dreidimensionaler statischer und dynamischer Testsysteme
  • Studien und Testung
  • Histologie, molekular- und zellbiologische sowie biochemische Analysen an Geweben und Medienüberständen

Ausstattung

Zu unserer Ausstattung gehören folgende Geräte und Technologien:

  • Mikrodissektionsgerät
  • Laser-Scanning-Technologie
  • RAMAN-Spektrometer
  • Durchflusszytometer
  • Real-Time PCR
  • Zellanalyse Expirion

Publikationen

  • Mertsching H, Hansmann J, Schanz J, Linke K., Brenner M, Michaelis J, Walles T, 2006: Vaskularisierte Trägersysteme für in vitro-Testsysteme. In: Beckmann D., Meister M. 13. Heiligenstätter Kolloquium. Technische Systeme für Biotechnologie und Umwelt. Heiligenstadt. Inst. f. Bioprozess- und Analysentechnik; ISBN-10: 3-00-018621-2; 47–55.
  • Walles T, Weimer M, Linke K, Michaelis J, Mertsching H, 2007: The potential of bioartificial tissues in oncology research and treatment. Onkologie 30(7); 388-394.
  • Thude S, Weimer M, Michaelis J, Mertsching H, 2008: Bioartifical tissues as a tool for development of tumor diagnostic methods. Endoskopie heute 21: 191-194.
  • Michaelis J, Schanz J, Hansmann J, Hampel M, Mertsching H, 2008: 3D- Zellsysteme – In vitro Testsysteme als Alternativmethoden zu Tierversuchen in der Pharmazeutischen und Chemischen Industrie. In: Conrad K., Lehmann W., Sack U., Schedler U. (Hrsg.) Multiparameteranalytik – Methoden, Applikationen, Perspektiven. Papst Science Publishers; ISBN-978-3-89967-461-3; 181-197.
  • Pusch J, 2009: Etablierung eines dynamisch kultivierten Darmgewebemodells: Ein neuer Ansatz bei der Entwicklung von Ersatz- und Ergänzungsmethoden zum Tierversuch auf Basis einer azellulären Trägerstruktur in vitro. Südwestdeutscher Verlag für Hochschulschriften, ISBN-10: 3838111931.
  • Schanz J, Pusch J, Hansmann J, Walles H, 2010: Vascularised human tissue models: a new approach for the refinement of biomedical research. J Biotechnol, 148(1): 56-63.