Translationszentrum TZKME, Institutsteil Würzburg

Translationszentrum »Regenerative Therapien für Krebs- und Muskuloskelettale Erkrankungen« TZKME, Institutsteil Würzburg

Die Projektgruppe »Regenerative Technologien für die Onkologie« wurde im Februar 2014 positiv evaluiert und aufgrund dessen im Juli 2014 in die Bund-Länder-Finanzierung der Fraunhofer-Gesellschaft überführt. Zudem wurde vom Bayerischen Staatsministerium für Wirtschaft und Medien, Energie und Technologie eine weitere Fördermaßnahme initiiert. Diese hat den Aufbau des Würzburger Translationszentrums »Regenerative Therapien für Krebs- und Muskuloskelettale Erkrankungen« (TZKME) als Institutsteil Würzburg des Fraunhofer IGB zum Ziel. Die positiv evaluierte Projektgruppe wurde in Form der Abteilungen »Testsysteme« und »Bioreaktoren« in das Translationszentrum überführt.

In Würzburg steht die regenerative Medizin im wissenschaftlichen Mittelpunkt. Die seit 2009 etablierten Technologien werden genutzt, um neue Produkte, Implantate oder zellbasierte  Therapien sowohl für die Biotechnologie als auch für die Medizintechnik- und Pharmazeutische Industrie zu entwickeln. Der Fokus der Abteilung Implantate sind Erkrankungen des Bewegungsapparates wie die Volkskrankheit Arthrose. In den EU-Projekten BioInspire und VascuBone entwickeln wir stammzellbasierte muskuloskelettale Therapien. Die präklinischen Studien werden mit internationalen Partnern in Norwegen und Österreich durchgeführt. Die klinischen Studien dieser neuen innovativen ATMPs (Advanced Therapy Medicinal Products) sind in Deutschland, Österreich und Norwegen in Vorbereitung. Die Kultivierung unserer vaskularisierten Matrix (BioVaSc-TERM®) in spezifischen Bioreaktoren, mit der wir komplexe vaskuläre Implantate herstellen, wurde nun auch unter GMP-Bedingungen in Kooperation mit  dem Universitätsklinikum Würzburg etabliert.

Um den Transfer dieser neuen Therapien in die klinische Entwicklung und die medizinische Versorgung zu beschleunigen, unterstützt das Bayerische Wirtschaftsministerium den Aufbau des TZKME Würzburg mit insgesamt 10 Millionen Euro für Projekte über eine Laufzeit von fünf Jahren. Das interdisziplinäre Team fokussiert sich auf den Ausbau der Kooperation mit dem Universitätsklinikum Würzburg sowie dem Fraunhofer ISC zur Etablierung des Bereichs Theranostik. Weitere zentrale Partner sind das Muskuloskelettale Centrum Würzburg (MCW) für den Bereich Implantate, der Lehrstuhl für Funktionswerkstoffe der Medizin und der Zahnheilkunde (FZM) für den Bereich Biomaterialien, das Deutsche Zentrum für Herzinsuffizienz (DZHI) für die präklinische Testung von Medizinprodukten und das Comprehensive Cancer Center (CCC) für den Bereich Testsysteme.

Schwerpunkte

Ein Schwerpunkt der Abteilung Testsysteme sind Krebserkrankungen, weshalb Methoden zur Standardisierung von humanen 3D-Tumormodellen in unterschiedlicher Komplexität etabliert wurden. Dazu zählen Modelle für das Lungen- und das Mammakarzinom, das kolorektale Karzinom und für eine Form der Leukämie. Neben der Teilungsrate und Apoptose der Tumorzellen können verschiedene molekulare Aktivierungen und Inhibitionen von Signalkaskaden nach der Behandlung mit einem Wirkstoff gemessen werden. Basierend auf diesen und klinischen Daten werden in Kooperation mit dem Lehrstuhl für Bioinformatik »In-silico«-Modelle erstellt, um Biomarkerprofile für zielgerichtete Therapien vorher zu sagen. In Kokulturmodellen mit dem Tumorstroma wird die Wechselwirkung von Wirkstoffen, auch Biologicals wie Antikörper und Tumorzellen, analysiert.

Die komplexen Gewebemodelle wurden 2014 als Marke angemeldet. Dazu zählen die Modelle der menschlichen Barrieren Haut (Skin-VaSc-TERM®), Cornea, Darm (GutVaSc-TERM®), Trachea (TraVaSc-TERM®), Lunge (LunVaSc-TERM)® und die Blut-Hirn-Schranke. Diese adaptieren wir an Erkrankungen (Disease-Modelle) oder simulieren Infektionen von Krankheitserregern und etablieren dazu Langzeitkulturen. Ebenso simulieren wir mit den Gewebemodellen Wechselwirkungen von Medizinprodukten, z. B. Stents, mit dem menschlichen Organismus, um so die Oberflächen der Implantate zu optimieren.

In der Abteilung Bioreaktoren wird eine Bioreaktorplattform für Anwendungen im Tissue Engineering, der regenerativen Medizin und der extrakorporalen Erhaltung von Organen und Geweben entwickelt. Eine grundlegende Spezifikation unseres Systems ist, dass die Bioreaktorplattform für einen großen Benutzerkreis im Bereich der Forschung und Entwicklung sowie innerhalb der Industrie anwendbar ist.

Schwerpunkt Krebserkrankungen

Krebszellen wachsen unkontrolliert und bilden für ihre Nährstoffversorgung eigene Blutgefäße aus. Viele Tumore streuen über das Blut- oder Lymphsystem in weit entfernte Organe und bilden dort Metastasen, welche eine Krebserkrankung oft unheilbar machen. Ein wichtiges Ziel ist es daher, die Mechanismen der Tumorentstehung und des Krebswachstums, der Bildung von Metastasen und deren Verteilung im menschlichen Körper aufzuklären.

Mit Methoden des Tissue Engineerings stellen wir auf einer azellularisierten, vaskularisierten Darmmatrix (BioVaSc) in Kombination mit primären Tumorzellen und verschiedenen Tumor-Zelllinien humane 3D-Tumorgewebe her, um die Mechanismen neuartiger Therapiestrategien in einer komplexen humanen pathologischen Umgebung untersuchen zu können.

Der Projektgruppe Onkologie ist es damit bereits gelungen, verschiedene Tumormodelle in unterschiedlicher Komplexität zu etablieren, so zum Beispiel ein Lungentumormodell oder Modelle für das kolorektale Karzinom, für Brustkrebs, Leukämie und für maligne periphere Nervenscheidentumore (MPNST). Neben der Teilungsrate und Apoptose der Tumorzellen können nun verschiedene molekulare Aktivierungen und Inhibitionen von Signalkaskaden nach der Behandlung mit einem Wirkstoff gemessen werden. Basierend auf diesen Daten werden in Kooperation mit dem Lehrstuhl für Bioinformatik der Universität Würzburg »In-silico«-Modelle erstellt, verfeinert und validiert. Die Kokultur mit Zellen aus dem Tumorstroma bietet zusätzlich die Möglichkeit, die Wechselwirkung von Wirkstoffen, darunter auch Biologicals wie Antikörper, mit den stromalen und den Tumorzellen in ihrer Umgebung und die Bildung von Resistenzen oder Metastasen zu untersuchen. Zukünftig wollen wir auch charakteristische Eigenschaften von metastasierenden Tumorstammzellen herausarbeiten.

Schwerpunkt Muskuloskelettale Erkrankungen

Erkrankungen des Bewegungsapparates verursachen in Deutschland bereits 16 Prozent der gesamten Kosten im Gesundheitswesen. Zu den muskuloskelettalen Erkrankungen gehören Volkskrankheiten wie Arthrose und Osteoporose, entzündliche rheumatische Erkrankungen, aber auch Tumore der Bewegungsorgane sowie Komplikationen bei künstlichem Gelenkersatz. Für ihre Behandlung bieten sich zellbasierte regenerative Therapien und neuartige Medizinprodukte an.

In den EU-Projekten BioInspire und VascuBone entwickeln wir stammzellbasierte muskuloskelettale Therapien; die notwendigen präklinischen Studien werden mit internationalen Partnern in Norwegen, Österreich und Australien durchgeführt. Die klinischen Studien dieser neuen innovativen ATMPs (Advanced Therapy Medicinal Products) sind in Deutschland, Österreich und Norwegen in der Vorbereitung. Im EU-Projekt »VascuBone« wurden beispielsweise unter der Koordination von Frau Prof. Walles präklinische und klinische Studien von Materialien und stammzellbasierten Implantaten zur Therapie muskuloskelettaler Defekte durchgeführt.

Kompetenzen

Die Kompetenzen des Fraunhofer-Translationszentrums spiegeln sich in der Abteilungsstruktur der Einheit wider:

  • Bioreaktoren – Technologien für das Tissue Engineering
    und die Automatisierung der Prozesse
  • Testsysteme – Gewebe- und Tumormodelle
  • Theranostik – Partikuläre Systeme für die Diagnostik
    und molekulare Bildgebung
  • Implantate – Biologisierte Medizinprodukte und zellbasierte Therapien
  • Biomaterialien – Regenerative Materialien und modifizierte Implantatoberflächen

 

Bioreaktoren und Testsysteme (Projektgruppe Onkologie)

Die Verwendung von 2D-Monolayerkulturen und Zelllinien stößt bei der Aufklärung von regenerativen Mechanismen, der Untersuchung physiologischer Barrierefunktionen und Resorptionsvorgängen im menschlichen Organismus an ihre Grenzen.

Wir entwickeln daher, basierend auf der BioVaSc, komplexe Gewebemodelle der menschlichen Barrieren Haut, Cornea, Darm, Trachea, Lunge und der Blut-Hirn-Schranke. Diese adaptieren wir an Erkrankungen (Disease-Modelle) oder simulieren Infektionen von Krankheitserregern und etablieren dazu Langzeitkulturen.

Ebenso simulieren wir mit den Gewebemodellen Wechselwirkungen von Medizinprodukten, z. B. Stents, mit dem menschlichen Organismus, um so die Oberflächen der Implantate zu optimieren. Im EU-Projekt IDEA nutzen wir die vaskularisierten Gewebemodelle, um Diagnostika (Nanopartikel) zu entwickeln und deren Unbedenklichkeit zu untersuchen.

Die Kultivierung unserer vaskularisierten Matrix (BioVaSc) in spezifischen Bioreaktoren, mit der wir komplexe vaskuläre Implantate herstellen, wurde nun auch unter GMP-Bedingungen in Kooperation mit  dem Universitätsklinikum Würzburg etabliert. Im Rahmen eines vom BMBF geförderten Projekts bereiten wir erste klinische Studien für ein Trachea-Transplantat vor, das auf der BioVaSc basiert.

Projekte

Die Fraunhofer-Gruppe am Translationszentrum arbeitet eng mit dem Lehrstuhl für Tissue Engineering und regenerative Medizin in Würzburg zusammen.

Entwicklung eines Darm-Tumormodells

Ausgehend von humanen Dickdarm-Karzinom-Zelllinien sollen dreidimensionale In-vitro-Tumormodelle auf der Basis der BioVaSc® generiert werden, mit deren Hilfe neue Darmkrebsmedikamente und -therapien getestet werden können.

 

Untersuchung von Stroma-Tumor-Interaktionen

Tumor-assoziierte Fibroblasten spielen eine bedeutende Rolle bei der Tumorentwicklung und stellen ein mögliches Ziel für Krebstherapien dar. Sie sind Bestandteil des Bindegewebes (Stroma), das einzelne Organe durchzieht und untergliedert. In einem Tumor werden alle nicht-tumorösen Zellen als stromale Zellen bezeichnet, wobei es sich vor allem um Fibroblasten handelt. Im Falle einer Verwundung werden Fibroblasten vorübergehend aktiviert und induzieren dadurch die Zellteilung der Gewebszellen, welche zum Wundverschluss und damit zur Heilung führen. Im Falle eines Tumors werden die Fibroblasten dauerhaft aktiviert und sind an der Progression des Tumors maßgeblich beteiligt. Daher wird Krebs auch oft als »nicht-heilende Wunde« bezeichnet (Dvorak 1986).

 

Entwicklung eines Lungen-Tumormodells

Entsprechend der Entwicklung eines Darmkrebsmodells soll über den Aufbau von Tumorgewebe aus Lungenkarzinomzelllinien und Stromazellen ein humanes dreidimensionales Tumormodell auf Basis der BioVaSc® etabliert werden. Dies soll zur Austestung von Medikamenten und Therapien dienen und Untersuchungen von Tumor-Stroma-Interaktionen ermöglichen.

 

Neurofibrom-Modell

In Kooperation mit der Charité Berlin werden Zellkulturen aus Neurofibromatose-assoziierten Tumoren, beispielsweise Neurofibromen, und aus humaner Haut isolierte Primärzellen verwendet, um auf der BioVaSc dreidimensionale In-vitro-Modelle aufzubauen, an denen die komplexe Krankheit Neurofibromatose untersucht werden kann. Der Fokus liegt dabei auf der Erforschung der Bildung maligner peripherer Nervenscheidentumore (malignant peripheral nerve sheath tumors, MPNSTs) aus ursprünglich gutartigen Neurofibromen. Auch hier sollen Tumor-Stroma-Interaktionen analysiert werden.

 

Cornea-Testsystem basierend auf Organmodell

Als Alternative zum umstrittenen Augenreiztest am Kaninchen, dem »Draize-Test«, wurde am IGB im Institutsteil Würzburg die Ex-vivo-Kultivierung der Augenhornhäute von Schlachtschweinen als Testsystem etabliert. Kosmetische oder pharmazeutische Substanzen können damit durch Anpassung der OECD-Richtlinie 405 durchgeführt werden. Das Cornea-Organmodell-Testsystem macht damit Versuche am lebenden Tier entbehrlich, und das bei gleichwertiger bzw. sogar deutlich besserer Aussagekraft.

Leistungsangebot

  • Herstellung und biochemische Modifikation von 3D-Trägerstrukturen für das Tissue Engineering mittels Elektrospinnen und Biofabrication-Verfahren – in Kooperation mit dem fmz

  • Optimierung der Kulturbedingungen und der gewebespezifischen Differenzierung von iPS-Zellen

  • Aufbau von Gewebemodellen unter Verwendung von iPS- oder primären humanen Zellen

  • Isolierung primärer humaner Stamm- und Tumorzellen

  • Aufbau von Kokulturen zur Generierung humaner vaskularisierter Gewebemodelle, besonders der menschlichen Barriere-Organe

  • Entwicklung von Krankheits- und Infektionsmodellen basierend auf den Gewebemodellen

  • Aufbau von Kokulturen zur Generierung humaner solider Tumoren in vitro als Tumortestsysteme

  • Entwicklung spezifischer Bioreaktoren, Sensoren und Inkubatoren für das Tissue Engineering

  • Entwicklung humaner vaskularisierter (Tumor)gewebe zur Optimierung von Medizinprodukten, zur Etablierung individueller Diagnostika und personalisierter Therapien, auch ATMPs

  • Zellbiologische Analytik der Tumorgewebe: molekularbiologische, histologische und immunhistologische Methoden, Durchflusszytometrie (FACS)

  • Target-Screening für neue Tumor-Therapeutika

  • In-silico-Modelle für die Pharmazeutische Industrie – in Kooperation mit dem Lehrstuhl für Bioinformatik der Universität Würzburg

Wertschöpfungskette

  • Simulation von klinischen Therapieregimen mit der Untersuchung des Wirkprinzips und/oder der Nebenwirkungen eines neuen Wirkstoffkandidaten mittels vaskularisierter humaner Tumor- und Gewebemodellen (Disease-Modelle)
  • Einsatz der Gewebemodelle bei der Verfahrensentwicklung zur Optimierung von Wirkstoffen oder Diagnostika
  • Durchführung und Validierung von In-vitro-Testungen als Alternative zum Tierversuch am Ende der präklinischen Entwicklungsphase
  • Untersuchungen zur Effizienz eines in der Zulassung befindlichen neuen Pharmakons
  • Kooperation mit der medizinischen Fakultät Würzburg zur Organisation der klinischen Phasen I–III

Ausstattung

  • Zellkulturlabor für Arbeiten nach Sicherheitsstufen S1 und S2 GenTSV

  • Präklinische Studieneinheit – in Kooperation mit fmz, DZHi und Universitätsklinik Würzburg

  • Zellanalytik: inverses Fluoreszenzmikroskop, FACS, Mikrodissektionsanlage, Raman-Spektroskopie

Publikationen

 

  • Poster: Development and validation of a preclinical in-vitro tumor test system. Nietzer S. L., Dandekar G., Walles H. Forum Life Science 2011, München.

Über uns

2009 wurde die Fraunhofer-Projektgruppe »Regenerative Technologien für die Onkologie« eingerichtet. Im Rahmen der Anschubfinanzierung durch den Freistaat Bayern (Programm Bayern FIT) erfolgte der Aufbau einer Plattformtechnologie für die Herstellung komplexer, mit Blutgefäßen versorgter humaner Gewebeäquivalente und humaner 3D Tumor-Testsysteme. Die entwickelten Gewebemodelle können für die Risiko- und Sicherheitsbewertung von Substanzen oder neuen Wirkstoffen eingesetzt werden sowie für Untersuchungen zur Wirksamkeit und Spezifität (Efficacy) neuer Medikamente oder Therapien.

Die Projektgruppe wurde im Februar 2014 positiv evaluiert und wird ein Teil des neu gegründeten Translationszentrums »Regenerative Therapien für Krebs- und Muskuloskelettale Erkrankungen«.

Das »Translationszentrum für Regenerative Therapien für Krebs- und Muskuloskelettale Erkrankungen« wird seit Juli 2014 mit 17,5 Mio Euro über eine Laufzeit von fünf Jahren vom Freistaat Bayern gefördert.

Wissenswertes

  • Wie entsteht Krebs?

Krebs ist, genau genommen, ein »Nebenprodukt« des Evolutionsprozesses: Mutationen, die bei der Vervielfältigung der DNA auftreten, können einerseits den Organismus in einer Weise verändern, die ihm einen Selektionsvorteil verschafft, andererseits können sie, wenn sie z. B. Proteine betreffen, die am Zellzyklus beteiligt sind, die Krebsentstehung begünstigen. Die meisten Mutationen haben jedoch keine Folgen für den Organismus oder werden durch körpereigene Reparaturmechanismen eliminiert. Steigt jedoch die Anzahl der Mutationen, beispielsweise durch Strahlenbelastung oder kanzerogene Substanzen, steigt die Wahrscheinlichkeit, dass sich eine Krebszelle bildet, die den Grundstock für einen Tumor und spätere Metastasen bildet. Diese Tumorzellen sind potenziell unsterblich und bringen durch Zellteilung weitere Tumorzellen hervor. Die Vermehrung und das Überleben der Zellen wird durch die unmittelbare Umgebung der Tumorzellen gefördert, da umgebende Gewebszellen von den Tumorzellen dazu gebracht werden, wachstums- und proliferationsfördernde Stoffe zu sezernieren. Unter anderem induzieren die Krebszellen auch die Ausschüttung von Faktoren, welche die Bildung neuer Blutgefäße zur Versorgung des Tumors anregen. Ein Gewebe, das von diesen Blutgefäßen durchzogen ist, wird als vaskularisiert bezeichnet.