Testsysteme für Toxizitätsstudien

Entwicklung von Ready-to-use Tox-Assays (hiPS)

Das Fraunhofer IBMT koordiniert seit Anfang 2020 das von EIT Health geförderte Projekt „R2U-Tox-Assay: Ready-to-use Toxicity Screening Assay based on iPS-Technologies“. Ziel soll es sein, innovative Toxizitätsassays für die Wirkstoffforschung zu entwickeln, die auf humanen Zellsystemen basieren.

R2U-Tox-Assay

Im EIT Health-Projekt "R2U-Tox-Assay" werden aus patientenspezifischen hiPS-Zellen in hochskalierten Produktionsprozessen spezialisierte Zelltypen differenziert, in standardisierten Assayplatten ausgebracht und kryokonserviert. | © 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, sodass 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.

Nutzung von humanen induziert pluripotenten 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 seien jedoch die Abläufe in der Arbeit mit diesen Zellsystemen noch durch notwendiges großes praktisches Expertenwissen und hohen Zeitaufwand gekennzeichnet. Auch müssten diese „Assays“ auf Bedarf produziert werden, seien 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, seien bereits für Einzelzellen in Suspension etabliert. Sie ließen sich aber für die Assay-relevanten spezifischen Zelltypen Kardiomyozyten und Neurone, die auf Oberflächen wachsen und nur so ihre Funktionalität ausbilden, nicht anwenden, so die Wissenschaftler.

Zellen

Forschende der Universität Zürich und des Universitätsspitals Zürich haben das Eiweiß entdeckt, das natürliche embryonale Stammzellen befähigt, sämtliche Körperzellen zu bilden.

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Erfahrung im Bereich der Kryobiotechnologie und des Biobankings

Das Fraunhofer-Institut für Biomedizinische Technik IBMT besitzt nach eigenen Angaben 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 werde durch ihren Kontakt mit speziell beschichteten Oberflächen gewährleitet, der auch während des Abkühlvorgangs aufrechterhalten werden müsse. Durch ultrahohe Kühlraten und einen speziellen Cocktail aus Gefrierschutzmittel würden kryogene Temperaturen unterhalb von 140 °C erreicht, ohne dass potenziell schädigende Eiskristalle innerhalb der Probe entstünden. In diesem Temperaturbereich seien die Proben zeitlich unbegrenzt lager- und transportfähig. Unmittelbar nach dem Auftauen seien sie in standardisierten Assays einsetzbar ohne die zeitlich aufwändigen Erholungsphasen, die eine konventionelle Kryokonservierung mit sich bringe, so Fraunhofer IBMT.

Bündelung von Expertisen

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.


Quelle: idw/Fraunhofer-Institut für Biomedizinische Technik IBMT