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 Helmholtz-Forscher bekommen Herpesvirus zu fassen
27.04.2018 | Helmholtz Zentrum München - Deutsches Forschungszentrum für Gesundheit und Umwelt

nachricht Multifunktionaler Mikroschwimmer transportiert Fracht und zerstört sich selbst
26.04.2018 | Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme

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: Why we need erasable MRI scans

New technology could allow an MRI contrast agent to 'blink off,' helping doctors diagnose disease

Magnetic resonance imaging, or MRI, is a widely used medical tool for taking pictures of the insides of our body. One way to make MRI scans easier to read is...

Im Focus: Fraunhofer ISE und teamtechnik bringen leitfähiges Kleben für Siliciumsolarzellen zu Industriereife

Das Kleben der Zellverbinder von Hocheffizienz-Solarzellen im industriellen Maßstab ist laut dem Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE und dem Anlagenhersteller teamtechnik marktreif. Als Ergebnis des gemeinsamen Forschungsprojekts »KleVer« ist die Klebetechnologie inzwischen so weit ausgereift, dass sie als alternative Verschaltungstechnologie zum weit verbreiteten Weichlöten angewendet werden kann. Durch die im Vergleich zum Löten wesentlich niedrigeren Prozesstemperaturen können vor allem temperatursensitive Hocheffizienzzellen schonend und materialsparend verschaltet werden.

Dabei ist der Durchsatz in der industriellen Produktion nur geringfügig niedriger als beim Verlöten der Zellen. Die Zuverlässigkeit der Klebeverbindung wurde...

Im Focus: BAM@Hannover Messe: Innovatives 3D-Druckverfahren für die Raumfahrt

Auf der Hannover Messe 2018 präsentiert die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), wie Astronauten in Zukunft Werkzeug oder Ersatzteile per 3D-Druck in der Schwerelosigkeit selbst herstellen können. So können Gewicht und damit auch Transportkosten für Weltraummissionen deutlich reduziert werden. Besucherinnen und Besucher können das innovative additive Fertigungsverfahren auf der Messe live erleben.

Pulverbasierte additive Fertigung unter Schwerelosigkeit heißt das Projekt, bei dem ein Bauteil durch Aufbringen von Pulverschichten und selektivem...

Im Focus: BAM@Hannover Messe: innovative 3D printing method for space flight

At the Hannover Messe 2018, the Bundesanstalt für Materialforschung und-prüfung (BAM) will show how, in the future, astronauts could produce their own tools or spare parts in zero gravity using 3D printing. This will reduce, weight and transport costs for space missions. Visitors can experience the innovative additive manufacturing process live at the fair.

Powder-based additive manufacturing in zero gravity is the name of the project in which a component is produced by applying metallic powder layers and then...

Im Focus: IWS-Ingenieure formen moderne Alu-Bauteile für zukünftige Flugzeuge

Mit Unterdruck zum Leichtbau-Flugzeug

Ingenieure des Fraunhofer-Instituts für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS) in Dresden haben in Kooperation mit Industriepartnern ein innovatives Verfahren...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Konferenz »Encoding Cultures. Leben mit intelligenten Maschinen« | 27. & 28.04.2018 ZKM | Karlsruhe

26.04.2018 | Veranstaltungen

Konferenz zur Marktentwicklung von Gigabitnetzen in Deutschland

26.04.2018 | Veranstaltungen

infernum-Tag 2018: Digitalisierung und Nachhaltigkeit

24.04.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Weltrekord an der Uni Paderborn: Optische Datenübertragung mit 128 Gigabits pro Sekunde

26.04.2018 | Informationstechnologie

Multifunktionaler Mikroschwimmer transportiert Fracht und zerstört sich selbst

26.04.2018 | Biowissenschaften Chemie

Berner Mars-Kamera liefert erste farbige Bilder vom Mars

26.04.2018 | Physik Astronomie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics