F&E-Projekt "Multimodale Gewebemodelle für präklinische Testung von Medizinprodukten und Arzneimitteln"

ZIM-Kooperationsprojekt (gefördert durch VDI/VDE-IT des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie)

Im Rahmen des Kooperationsprojektes soll eine auf bakterieller Nanozellulose basierende Gewebe-Ersatzplattform speziell für epitheliale Barriere-Organe (Haut, Lunge, Darm) entwickelt werden, welche Arzneimittelwirkungen auf die Epithelschicht dieser Organe modelliert. Bisher verwendete eingeschränkt übertragbare und zudem kostspielige tierexperimentelle Ansätze können reduziert und die Anzahl an Tierversuchen gesenkt werden.

Etablierte humane Epithelzelllinien (Caco-2, Calu-3, HaCaT) kommen für den Aufbau von in vitro Gewebemodellen zum Einsatz und sollen eine geschlossene Epithelzellschicht ausbilden, an welcher die spätere Substanztestung erfolgt. Besiedelt werden zunächst PET Membranen (hanging insert Systeme mit Kapillarporenmembran), später in Zellkronen eingespannte Fließe aus biotechnologisch erzeugter bakterieller Nanocellulose (BNC),  eines neuen und sehr vielversprechenden Hydropolymers für das Tissue Engineering. BNC-Fließe mit variabler Mikrostrukturierung und Oberflächenfunktionalisierung werden über den Projektpartner JeNaCell zur Verfügung gestellt (Abb. 1).

Im  Rahmen dieses Projekts wird die Wirkung von Stoffen auf die Testbarrieren mittels mikroskopischer Technologien untersucht wofür multiphotonenmikroskopische Ansätze für das zerstörungsfreie online Monitoring der Gewebe und der Bildung von ECM (Kollagen-I) zum Einsatz kommen. (Immun-)Fluoreszenzmikroskopie wird verwendet für die Analyse der Zellverteilung lebender und toter Zellen (Calcein AM/Ethidium-Homodimer) sowie von tight junction Modulation. Ferner kommen diverse Zellassays (MTS, WST-1) zur Untersuchung von Zellviabilität und -aktivität zum Einsatz. Aus diesen Analysen werden Dosis-Wirkungs-Relationen für die getesteten Substanzen erstellt. Unsere Projektidee verfolgt zum einen den Ansatz der optischen Validierung der adäquaten Inkorporation der Modellzellen in die BNC-Konstrukte mit der Bildung von extrazellulärer Matrix, zum anderen die direkte fluoreszenzoptische Validierung der Zellfitness.  

Von den Verbund-Partnern (3 KMUs, 2 FuE-Partner) werden die Substanzwirkungen hinsichtlich ihres Einflusses auf die Integrität/Dichtigkeit der Barriere (Impedanzmessungen, TER-Werte) und mikrosensorisch auf Konzentrationsveränderungen von O2, CO2, pH ausgelesen (multimodale Sensorik). Die in Abb. 1 vom KMU-Partner Presens zu miniaturisierende Sensorik geht weit über den Stand bereits vorhandener in vitro Testsysteme hinaus. Die Gewebemodelle werden im Test-Array in einer Mikroklima-Kammer gehalten.

Mit den so erzeugten Endpunktwerten werden Algorithmen für die Vorhersage von Toxizität und für Vorschläge zu Dosis-Wirkungs-Beziehungen entwickelt. Bei den Stoffen handelt es sich um etablierte toxische Standardsubstanzen welche nach „OECD guidelines for the testing of chemicals“ am RHE-Modell (reconstructed human epidermis) bereits eingesetzt wurden.

Das im Projekt z.B. verwendete Caco-2 Modell ist ein etabliertes in vitro Modell der gesunden menschlichen Darmschleimhaut. Es besitzt exzellente Barrierefunktionen und bildet polarisierte und gut differenzierte Monolayer.

Kollaborationspartner:

Abbildung 1: Übersicht über die Projekt-Parnter und Zielsetzungen im Verbund-ZIM-Projekt "innoGewebe" bestehend aus 3 KMUs (JeNaCell, Presens, senetics healthcare) und zwei universitären FuE-Einrichtungen (MBT, TERM).

gefördert durch:

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Literatur:

Bottan S, Robotti F, Jayathissa P, Hegglin A, Bahamonde N, Heredia-Guerrero JA, Bayer IS, Scarpellini A, Merker H, Lindenblatt N, Poulikakos D, Ferrari A. Surface-structured bacterial cellulose with guided assembly-based biolithography (GAB). ACS Nano. 2015 Jan 27;9(1):206-19. doi: 10.1021/nn5036125.

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