Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGBZur Modellierung von Hauterkrankungen entwickeln wir rekonstituierte Hautmodelle basierend auf gezielt genetisch veränderten, immortalisierten primären Hautzellen. Unsere Krankheitsmodelle eignen sich, um molekulare Krankheitsmechanismen zu studieren und die Wirksamkeit therapeutischer Produkte und Wirksubstanzen zu bewerten.
Krankheitsmodelle der Haut
Infektionsmodelle
sind rekonstruierte Epidermis- und Vollhautmodelle, auf deren Stratum corneum pathogene Mikroorganismen dermatologische Infektionen auslösen.
Psoriasis-Modelle
sind rekonstruierte Epidermis- und Vollhautmodelle, die aus immortalisierten, gezielt genetisch veränderten primären Keratinozyten (Überexpression eines exogenen STAT3-Genes) aufgebaut sind. Mit proinflammatorischen Stimuli wie der Zugabe von Zytokinen oder der Integration von T-Zellen werden typische Psoriasis-Merkmale im Hautmodell ausgelöst. Die Psoriasis-Modelle exprimieren charakteristische Proteinmarker (z. B. S100A7, CK16, IL-8) und weisen morphologische Merkmale wie eine Verdickung der Epidermis (Akanthose), eine gestörte finale Differenzierung der Keratinozyten (Parakeratose) und eine Verdickung des Stratum corneum (Hyperkeratose) auf.
Histologische Schnitte eines Hautmodells gesunder Haut (a) im Vergleich zu unserem 3D-In-vitro-Psoriasismodell (b) und In-vivo-Haut eines Schuppenflechte-Patienten (c). Typisch für psoriatische Haut ist die gestörte Differenzierung der Keratinozyten (Parakeratose), die Verdickung der Epidermis (Akanthose) und des stratum corneum (Hyperkeratose).
Krankheitshautmodelle: Aussagekräftige In-vitro-Modelle für die Arzneimittelentwicklung als Alternative zum Tierversuch
Herausforderung: (Prä-)klinische Forschung ohne Tierversuche
Hohe Misserfolgsraten in der Arzneimittelentwicklung treiben einen Paradigmenwechsel in der Grundlagen- und präklinischen Forschung voran [1]. Tiermodelle sind nach wie vor der Goldstandard. Bedingt durch Unterschiede zwischen den Spezies und damit einhergehenden schlechten Vorhersagen menschlicher physiologischer und pathologischer Bedingungen sind ihnen aber Grenzen gesetzt. Um diese translationale Lücke zu schließen, werden zunehmend humane In-vitro-Krankheitsmodelle entwickelt [2].
Diese ermöglichen,
- präzisere und umfangreichere wissenschaftliche Einblicke in die Krankheiten zugrundeliegende molekularen Mechanismen zu gewinnen,
- bei sehr guter Reproduzierbarkeit Experimente einfach zu handhaben und zu wiederholen, und
- eine hohe Relevanz der Ergebnisse zu gewährleisten, durch Nachbildung wesentlicher Aspekte der Gewebe- und Organkomplexität.
Der Einsatz passender Krankheitsmodelle in der (prä-)klinischen Forschung steigert die Erfolgsrate der klinischen Umsetzung, reduziert die Kosten der Arzneimittelentwicklung und resultiert in zunehmend effektiveren Wirkstoffen [2].
Unsere Entwicklung: Spezifische und komplexe 3D-Krankheitshautmodelle
Mit unserer jahrzehntelangen Erfahrung in der Entwicklung und gezielten genetischen Modifikation humaner Zelllinien, der Etablierung humaner rekonstituierter 3D-Hautmodelle und der Einhaltung höchster Qualitätsstandards, etablieren wir spezifische Krankheitsmodelle in komplexer dreidimensionaler Struktur, die (inter-)zelluläre Interaktionen erlauben.
Alleinstellungsmerkmal: Krankheitsmodelle mit hoher klinischer Relevanz
Unsere Krankheitsmodelle werden je nach Anforderung und notwendiger Komplexität aus Komponenten der Haut etabliert, beispielsweise primären oder immortalisierten primären Fibroblasten und Keratinozyten, Immunzellen, gezielt genetisch modifizierten Zellen und Mikroorganismen.
Unsere Krankheitsmodelle sind in hohem Maß mit der In-vivo-Situation des Patienten vergleichbar. Sie besitzen damit eine hohe klinische Relevanz und eine sehr gute Vorhersagbarkeit.
Immortalisierte primäre Zellen garantieren dabei, dass unsere Hautmodelle spenderunabhängig und reproduzierbar sind und jederzeit bereitstehen. Eine gezielte genetische Modifikation von Zellen erlaubt insbesondere Krankheiten, die mit fehlerhafter Funktion von Proteinen einhergehen, in In-vitro-Modelle zu übertragen.
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Anwendungen
Einsatzgebiete
Die In-vitro Modellierung von Krankheiten ist ein zentraler Bestandteil der biomedizinischen Forschung, um
- grundlegende molekulare Mechanismen von Krankheiten zu verstehen,
- Wirksamkeitsuntersuchungen in der präklinischen Entwicklung von Pharmazeutika und Medizinprodukten durchzuführen, aber auch
- bei Produktentwicklungen von pflegenden Kosmetika, insbesondere für erkrankte Haut, zu unterstützen.
Leistungsangebot
Leistungsangebot
Wir bieten eine Vielzahl an Dienstleistungen rund um unsere Krankheitsmodellen an, die wir in modernen Laboren im Auftrag und in enger Zusammenarbeit mit und für unsere Kunden durchführen:
- Durchführung von Studien, Identifizierung von Targets und Substanzscreenings
- Entwicklung innovativer und komplexer Krankheitsmodelle einschließlich
- Isolation von primären Zellen
- Herstellung von genetisch modifizierten Zelllinien (stabil und transient)
- Reporter-Zelllinien mit unterschiedlichen intrazellulären und sekretierten Reportern
- 3D-Geweberekonstitution
- Phänotypische und funktionelle Charakterisierung von Modellen, insbesondere hinsichtlich krankheitsspezifischer, molekularer Marker
- Versand von Krankheitsmodellen
Analysemethoden
Analysemethoden
Unsere Krankheitsmodelle ermöglichen die Untersuchung molekularer Krankheitsmechanismen und der Auswirkungen von Wirkstoffen und pflegenden Produkten auf die Gewebearchitektur und auf die physiologischen Eigenschaften der Krankheitsmodelle. Die Analysen können sowohl am gesamten Vollhautmodell als auch getrennt in Dermis und Epidermis durchgeführt werden.
Wir bieten die folgenden Analysemethoden an:
- Vitalitätsmessungen, beispielsweise mittels MTT-Test (kolorimetrischer Test), alamarBlueTM ...
- Multiplex-Analyse zur Detektion und Quantifizierung sekretierter Proteine, wie z. B. Zytokine, Chemokine, Wachstumsfaktoren und antimikrobieller Peptide
- Histologische und immunohistochemische Färbungen an Gewebedünnschnitten
- Proteinanalysen mittels Western Blot
- RNA- und DNA-Analysen mittels PCR bzw. qPCR und Sequenzierung
Verweise im Text
[1] Adhikary, P.P., Ul Ain, Q., Hocke, A.C. et al. COVID-19 highlights the model dilemma in biomedical research. Nat Rev Mater 6, 374–376 (2021). https://doi.org/10.1038/s41578-021-00305-z
[2] Loewa, A., Feng, J.J. & Hedtrich, S. Human disease models in drug development. Nat Rev Bioeng 1, 545–559 (2023). https://doi.org/10.1038/s44222-023-00063-3