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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

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