Humane zellbasierte Testsysteme für Toxizitätsstudien: Ready-to-use Tox-Assay (hiPS)

Im EIT Health-Projekt »R2U-Tox-Assay« werden aus patientenspezifischen hiPS-Zellen in hochskalierten Produktionsprozessen spezialisierte Zelltypen differenziert, in standardisierten Assayplatten ausgebracht und kryokonserviert. Endanwender können die Assayplatten zeitlich unbegrenzt einlagern und den Zeitpunkt der Analysen selbst bestimmen. Die hiPS-basierten Zellsysteme erlauben signifikante Schlussfolgerungen im humanen System und sollen Entscheidungen in der Wirkstoffsuche erleichtern. © Fraunhofer IBMT

Leider gehören in pharmazeutischen Studien oft Nebenwirkungen von Wirkstoffen zum Alltag. Als Folge können schwerwiegende Komplikationen in täglichen klinischen Routinen entstehen. Toxische Effekte, insbesondere im kardialen und neuronalen Bereich, sind Hauptursachen dafür, dass zunächst vielversprechende Wirkstoffe in späten präklinischen Studien oder gar nach der Marktzulassung zurückgezogen werden müssen.

Stand der Technik in der Wirkstoffforschung sind nach wie vor In-vitro-Zellkulturmodelle, die auf tierischen Zellen basieren oder In-vivo-Tierversuche. Beide Systeme lassen sich meist nur unzureichend auf das menschliche System übertragen, so dass Nebenwirkungen erst spät entdeckt werden und sowohl ökonomische als auch gesundheitliche Schäden zur Folge haben.

Daher besteht ein dringender Bedarf an signifikanten Testsystemen, die eine zuverlässige Vorhersage möglicher medikamenteninduzierter Toxizitäten beim Menschen erlauben.

Einsatz spezialisierter Zelltypen aus patientenspezifischen Stammzellen

Die Entdeckung der humanen induziert pluripotenten Stammzellen (hiPS-Zellen) mit ihrem einzigartigen Potenzial der unbegrenzten Selbstreplikation sowie ihrer Möglichkeit, in fast alle Zelltypen eines menschlichen Körpers differenzieren zu können, führte zu großen technischen Fortschritten im Bereich humaner zellbasierter Toxizitätsstudien.

Dieses Zellsystem kann z. B. aus Hautbiopsien von Erwachsenen etabliert und dann in verschiedene Zelltypen, z. B. Herzmuskel- oder Nervenzellen, differenziert werden. Dadurch können einfach aber gezielt ganze Patientengruppen im Labor abgebildet und die für Toxizitätsstudien relevanten Zelltypen erzeugt werden. Aktuell sind jedoch die Abläufe in der Arbeit mit diesen Zellsystemen noch durch notwendiges großes praktisches Expertenwissen und hohen Zeitaufwand gekennzeichnet.

Auch müssen diese »Assays« auf Bedarf produziert werden, sind nur in einem sehr begrenzten Zeitrahmen von wenigen Tagen lagerbar und in ihrem physiologischen Zustand nicht transportabel. Konventionelle kryobiologische Prozesse, d. h. das kontrollierte Abkühlen biologischer Proben unterhalb des Gefrierpunkts, sind bereits für Einzelzellen in Suspension etabliert.

Sie lassen sich aber für die Assay-relevanten spezifischen Zelltypen Kardiomyozyten und Neurone, die auf Oberflächen wachsen und nur so ihre Funktionalität ausbilden, nicht anwenden.

Fraunhofer IBMT-Expertise: Anwendungsorientierte Kryokonservierung durch Vitrifikation

Das Fraunhofer-Institut für Biomedizinische Technik IBMT besitzt jahrzehntelange Erfahrung im Bereich der Kryobiotechnologie und des Biobankings. Im Rahmen des Verbundprojekts »R2U-Tox-Assay« hat das Fraunhofer IBMT die Aufgabe übernommen, funktionelle Kardiomyozyten und Neurone aus hiPS-Zellen in skalierbaren Prozessen zu erzeugen und in standardisierten Laborgefäßformaten für Hochdurchsatzscreenings einzufrieren.

Die Funktionalität dieser Zellen wird durch ihren Kontakt mit speziell beschichteten Oberflächen gewährleitet, der auch während des Abkühlvorgangs aufrechterhalten werden muss. Durch ultrahohe Kühlraten und einen speziellen Cocktail aus Gefrierschutzmittel werden kryogene Temperaturen unterhalb von 140 °C erreicht, ohne dass potenziell schädigende Eiskristalle innerhalb der Probe entstehen.

In diesem Temperaturbereich sind die Proben zeitlich unbegrenzt lager- und transportfähig. Unmittelbar nach dem Auftauen sind sie in standardisierten Assays einsetzbar ohne die zeitlich aufwändigen Erholungsphasen, die eine konventionelle Kryokonservierung mit sich bringt.

Die drei beteiligten Verbundpartner kombinieren in »R2U-Tox-Assay« ihre jeweiligen Expertisen. Das Fraunhofer IBMT koordiniert das Projekt und übernimmt insbesondere die Aufgaben, signifikante humane Zellsysteme herzustellen sowie diese in anwendungsorientierten Formaten einzufrieren.

Janssen Pharmaceutica N.V., Teil der Janssen Pharmaceutical Companies von Johnson & Johnson, validiert die entwickelten Testsysteme im pharmazeutischen Umfeld in bereits etablierten Wirkstoffscreenings. Das Institute for Bioengineering of Catalonia etabliert geneditierte sogenannte Reporterzelllinien, die eine schnellere Analyse potenziell toxischer Effekte innerhalb des Zellsystems zulassen.

Projektförderung: EIT Health INNOVATION-Projekt
Förderzeitraum: 01/2020-12/2023

Projektkoordination:
Fraunhofer-Institut für Biomedizinische Technik IBMT, Sulzbach

Projektpartner:
Janssen Pharmaceutica N.V., Beerse, Belgien, Teil der Janssen Pharmaceutical Companies von Johnson & Johnson (Projektleiter: Dr. Juan Pita Almenar und Dr. Hua Rong Lu)
Institute for Bioengineering of Catalonia (IBEC), Barcelona, Spanien (Projektleiter: Dr. Nuria Montserrat)

EIT Health – Innovationen an der Schnittstelle von Forschung, Bildung und Wirtschaft

EIT Health ist eine der derzeit acht geförderten Knowledge and Innovation Communities (KICs) des European Institute of Innovation and Technology (EIT). EIT Health liefert Lösungen für leistungsstarke Gesundheitssysteme, gesündere Bürger und eine nachhaltige Gesundheitsökonomie in Europa. Dazu werden die richtigen Menschen mit den wichtigen Herausforderungen unserer Zeit zum Thema Gesundheit über europäische Grenzen hinweg verbunden. EIT Health nutzt die Kompetenz von über 150 führenden Akteuren im europäischen Gesundheitswesen – Pharma, Medizintechnologie, Diagnostica, Konsumgüterindustrie, Universitäten, Forschungseinrichtungen, Gesundheitsdienstleister sowie Kostenträger, Politik und Verwaltung –, um Innovationen Realität werden zu lassen und patientenorientierte Lösungen zu kommerzialisieren.

Projektleiterin am Fraunhofer IBMT:
Dr. Julia Neubauer
Abteilungsleiterin Kryo & Stammzelltechnologien
Leiterin Projektzentrum Stammzellprozesstechnik am Fraunhofer ISC, Würzburg
Tel: +49 931 4100 360
E-Mail: julia.neubauer@ibmt.fraunhofer.de

Kontakt:
Dr. Ina Meiser
Arbeitsgruppenleiterin Kryobiotechnologie
Fraunhofer IBMT
Tel: +49 6897 9071 166
E-Mail: ina.meiser@ibmt.fraunhofer.de
https://www.ibmt.fraunhofer.de

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Media Contact

Dipl.-Phys. Annette Maurer-von der Gathen Fraunhofer-Institut für Biomedizinische Technik IBMT

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