Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Biohybride Systeme - Zellbasierte Testverfahren als Alternative zu Tierversuchen

30.08.2010
In-vitro-Testplattform zur Unterstützung der Wirkstoffentwicklung und Therapieevaluierung für Herzerkrankungen und kardiovaskuläre Erkrankungen

Für viele Unternehmen ist es im Rahmen von Entwicklungsprozessen wichtig, mittels biologischer Testverfahren möglichst frühzeitig abzuschätzen, wie sich ein geplantes Produkt auf die menschliche Gesundheit und die Umwelt auswirken wird. Aus ökonomischen, wissenschaftlichen, gesellschaftlichen und regulativen Gründen besteht eine immer stärkere Notwendigkeit und der Wunsch zellbasierte In-vitro-Testverfahren als Alternative zu Tierversuchen einzusetzen. Bei In-vitro-Verfahren werden die biologischen Tests in kontrollierter Umgebung außerhalb lebender Organismen durchgeführt. Ein biohybrides System ist ein miniaturisiertes System, das biologische Zellen mit technischen Mikrosystemen kombiniert.

Das Fraunhofer-Instituts für Biomedizinische Technik (IBMT) in St. Ingbert schafft in seiner Abteilung Biohybride Systeme durch diese Kombination den Zugang zu neuen »Assay«-Technologien. Diese ermöglichen zellbasierte Tests mit einer höheren Empfindlichkeit und Reproduzierbarkeit, Tests auf Einzelzellebene sowie Langzeituntersuchungen des Zellverhaltens bei praxisrelevanten Wirkstoffkonzentrationen. Mit Hilfe der verbesserten In-vitro-Technologien lässt sich nicht nur feststellen, ob ein Effekt auf Zellen vorhanden ist, sondern es lassen sich auch Informationen gewinnen, die zu klären helfen, warum ein Zellverband in einer bestimmten Weise reagiert. Das ist wichtig, wenn Produkte gezielt hinsichtlich einer biologischen Wirkung optimiert werden sollen.

Kardiovaskuläre Erkrankungen stellen eine der Hauptgruppen multifaktorieller Krankheiten dar. In einem von der Europäischen Union im Rahmen des Forschungsrahmenprogramms geförderten Projekt mit dem Titel CARDIOWORKBENCH galt es die Wirkstoffsuche (Auswahl- und Validierungsprozess für molekulare Targets) für kardiovaskuläre Erkrankungen zu optimieren - im Fokus die ischämische Herzkrankheit und die damit in Beziehung stehenden kardiovaskulären Erkrankungen. Die ischämische Herzkrankheit (IHK) oder koronare Herzkrankheit (KHK) ist durch eine verringerte Blutversorgung des Herzmuskels charakterisiert, die meistens durch Erkrankungen der Koronararterien (Arteriosklerose) verursacht ist.

Die Partner aus Forschungsinstituten, Universitäten, Kliniken und Wirtschaftsunternehmen entwickelten im Verbundprojekt Systeme für die Selektion und den Test relevanter pharmakologisch aktiver Moleküle. So konnten Expertisen auf dem Gebiet der Computerwissenschaften (Bioinformatik, Chemieinformatik und Bioengineering) mit experimentellen Expertisen (klinische Medizin und Biologie) verknüpft werden. Die Auswertung der klinischen Daten mittels der Bioinformatik stellt die Grundlage für chemieinformatische Analysen dar. Die industriellen Partner synthetisierten die Targetkandidaten, die nachfolgend mit Hilfe experimenteller Modellen getestet wurden. Die gewonnenen Ergebnisse dienen darüber hinaus der Weiterentwicklung von Silico-Krankheitsmodellen.

Im Rahmen des Verbundprojekts übernahm das Fraunhofer IBMT die Konzeption, Entwicklung und Evaluierung einer In-vitro-Testplattform für In-vitro-/Ex-vivo-Modelle der ischämischen Herzkrankheit. Im Mittelpunkt stand die Entwicklung von verbesserten Systemen und Chips für die Potenzialableitung an Kardiomyozytenkulturen und Gewebeproben. Insbesondere sollte die Charakterisierung von 3-D organotypischen Zellkulturen und kleinen Gewebeproben ermöglicht werden. Als Schnittstelle zwischen biologischer Probe und Datenerfassungssystemen waren dafür mikrofluidische Chips mit integrierten Elektroden erforderlich, die einerseits Ableitungen mit hohem Signal-zu-Rausch-Verhältnis aufweisen, um die Messung von kleinen Feldpotenzialen (bis zu einigen µV) zu ermöglichen, andererseits konstante Zellkulturbedingungen während den Messungen bieten. Weitere Merkmale bestanden in der mechanischen Stabilität während der Messungen. Die mechanische Kontraktion der biologischen Proben sollte nicht gestört werden und weiterhin sollte sich die Relativposition zwischen Ableitelektroden und Probe nicht ändern. Die Elektroden stellen biokompatible und biostabile Komponenten dar und der Gesamtaufbau stellte sicher, dass Wirkstoffe während der Messungen in geeigneter Weise zugeführt werden können. Um die elektrophysiologischen Aktivitäten mit den mechanischen Kontraktionen zu korrelieren, war vorgesehen, die elektrischen Ableitungen und die optische Datenerfassung zeitlich zu synchronisieren.

Damit molekulare Zielstrukturen auch für arterielle Gefäßerkrankungen untersucht werden können, sollte die In-vitro-Testplattform auch Systeme für die Charakterisierung von Endothelzellen und glatten Muskelzellen enthalten. Hierfür galt es zu untersuchen, ob sich die mechanischen Eigenschaften glatter Muskelzellen mit akustischer Mikrokopie bestimmen lassen. Abschließend sollte die ausgebaute Testplattform verwendet werden, um Effekte von Rac1-Inhibitoren auf Kardiomyozyten und humanen Gefäßendothelzellen zu untersuchen.

Die am Fraunhofer IBMT entwickelte In-vitro-Testplattform für kardiovaskuläre und damit in Beziehung stehende Herzerkrankungen kombiniert 2-D- und 3-D-In-vitro-Modelle, die auf den folgenden Zelltypen basieren: Kardiomyozyten, Gefäßendothelzellen und glatte Muskelzellen. Da die Zellparameter nichtinvasiv mit Hilfe der elektrischen Potenzialableitung, der elektrischen Impedanzspektroskopie sowie der optischen und akustischen Mikroskopie bestimmt werden können, sind Langzeit- und funktionale Untersuchungen möglich. Den Kern der Testplattform bilden Systeme zur elektrischen Potenzialableitung an Kardiomyozyten und Herzgewebe.

Der kombinierte Einsatz der folgenden In-vitro-/Ex-vivo-Modelle ist möglich:

- Gewebeproben aus Herzbiopsien mit Durchmessern im Bereich von 700 µm bis 10 mm,
- Gewebeproben aus Herzbiopsien und 3-D-Aggregate aus Herzmuskelzellen mit Durchmessern im Bereich von 700 µm bis 10 mm,

- Layerkulturen von Kardiomyozyten.

Effekte auf die elektrische Aktivität der Kardiomyozyten können mit Hilfe der Potenzialableitung und die mechanischen Kontraktionen mit Hilfe optischer Methoden erfasst werden. Die Daten der Potenzialableitungen und die Daten des optischen Monitorings können miteinander zeitlich korreliert werden. Zur Steuerung der Datenerfassung und der Fluidik zur Medienversorgung, Wirkstoffapplikation und örtlichen Fixierung der 3-D-Gewebemodelle sowie zur Datenauswertung wurde eine Software entwickelt.

Mit zunehmender Verfügbarkeit von geeigneten humanen Kardiomyozyten gewinnen die entwickelten In-vitro-Technologien für Biotech-Firmen und für die pharmazeutische Industrie an Bedeutung. Durch die Fortschritte der Stammzelltechnologien ist zu erwarten, dass geeignete humane Modelle in naher Zukunft in ausreichender Menge bereitstehen. Zusätzlich zu den Testsystemen für Kardiomyozyten wurden der Testplattform Systeme zur Charakterisierung von Gefäßmodellen hinzugefügt, um auch die Evaluierung von Targets und Wirkstoffen zur Behandlung von arteriellen Gefäßerkrankungen zu ermöglichen.

Auf Basis ihrer Technologien bietet somit das Fraunhofer IBMT die Entwicklung von kommerziellen zellbasierten Testsystemen sowie die Entwicklung von medizinischen Geräten für die In-vitro- und In-vivo-Diagnostik an. Weitere Serviceleistungen sind der Test von Wirkstoffen, die Evaluierung von Implantaten und Tissue-Engineering-Produkten sowie eine technologische Unterstützung bei der Evaluierung von therapeutischen Ansätzen.

Ansprechpartner
Dr. Hagen Thielecke
Fraunhofer-Institut für Biomedizinische Technik (IBMT)
Ensheimer Straße 48
66386 St. Ingbert
Telefon: +49 (0) 6894/980-162
hagen.thielecke@ibmt.fraunhofer.de

Annette Maurer | idw
Weitere Informationen:
http://www.ibmt.fraunhofer.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht In Hochleistungs-Mais sind mehr Gene aktiv
19.01.2018 | Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn

nachricht Warum es für Pflanzen gut sein kann auf Sex zu verzichten
19.01.2018 | Universität Wien

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Maschinelles Lernen im Quantenlabor

Auf dem Weg zum intelligenten Labor präsentieren Physiker der Universitäten Innsbruck und Wien ein lernfähiges Programm, das eigenständig Quantenexperimente entwirft. In ersten Versuchen hat das System selbständig experimentelle Techniken (wieder)entdeckt, die heute in modernen quantenoptischen Labors Standard sind. Dies zeigt, dass Maschinen in Zukunft auch eine kreativ unterstützende Rolle in der Forschung einnehmen könnten.

In unseren Taschen stecken Smartphones, auf den Straßen fahren intelligente Autos, Experimente im Forschungslabor aber werden immer noch ausschließlich von...

Im Focus: Artificial agent designs quantum experiments

On the way to an intelligent laboratory, physicists from Innsbruck and Vienna present an artificial agent that autonomously designs quantum experiments. In initial experiments, the system has independently (re)discovered experimental techniques that are nowadays standard in modern quantum optical laboratories. This shows how machines could play a more creative role in research in the future.

We carry smartphones in our pockets, the streets are dotted with semi-autonomous cars, but in the research laboratory experiments are still being designed by...

Im Focus: Fliegen wird smarter – Kommunikationssystem LYRA im Lufthansa FlyingLab

• Prototypen-Test im Lufthansa FlyingLab
• LYRA Connect ist eine von drei ausgewählten Innovationen
• Bessere Kommunikation zwischen Kabinencrew und Passagieren

Die Zukunft des Fliegens beginnt jetzt: Mehrere Monate haben die Finalisten des Mode- und Technologiewettbewerbs „Telekom Fashion Fusion & Lufthansa FlyingLab“...

Im Focus: Ein Atom dünn: Physiker messen erstmals mechanische Eigenschaften zweidimensionaler Materialien

Die dünnsten heute herstellbaren Materialien haben eine Dicke von einem Atom. Sie zeigen völlig neue Eigenschaften und sind zweidimensional – bisher bekannte Materialien sind dreidimensional aufgebaut. Um sie herstellen und handhaben zu können, liegen sie bislang als Film auf dreidimensionalen Materialien auf. Erstmals ist es Physikern der Universität des Saarlandes um Uwe Hartmann jetzt mit Forschern vom Leibniz-Institut für Neue Materialien gelungen, die mechanischen Eigenschaften von freitragenden Membranen atomar dünner Materialien zu charakterisieren. Die Messungen erfolgten mit dem Rastertunnelmikroskop an Graphen. Ihre Ergebnisse veröffentlichen die Forscher im Fachmagazin Nanoscale.

Zweidimensionale Materialien sind erst seit wenigen Jahren bekannt. Die Wissenschaftler André Geim und Konstantin Novoselov erhielten im Jahr 2010 den...

Im Focus: Forscher entschlüsseln zentrales Reaktionsprinzip von Metalloenzymen

Sogenannte vorverspannte Zustände beschleunigen auch photochemische Reaktionen

Was ermöglicht den schnellen Transfer von Elektronen, beispielsweise in der Photosynthese? Ein interdisziplinäres Forscherteam hat die Funktionsweise wichtiger...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Kongress Meditation und Wissenschaft

19.01.2018 | Veranstaltungen

LED Produktentwicklung – Leuchten mit aktuellem Wissen

18.01.2018 | Veranstaltungen

6. Technologie- und Anwendungsdialog am 18. Januar 2018 an der TH Wildau: „Intelligente Logistik“

18.01.2018 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Rittal vereinbart mit dem Betriebsrat von RWG Sozialplan - Zukunftsorientierter Dialog führt zur Einigkeit

19.01.2018 | Unternehmensmeldung

Open Science auf offener See

19.01.2018 | Geowissenschaften

Original bleibt Original - Neues Produktschutzverfahren für KFZ-Kennzeichenschilder

19.01.2018 | Informationstechnologie