Neue Forschungsprojekte

Statt Tierversuche: Organ-on-a-Chip-Systeme und Zellkulturen

In zwei neuen Projekten wollen Forscherinnen und Forscher der TU Braunschweig menschliche Nasenschleimhaut- und Augenhornhautmodelle entwickeln. Beide Testsysteme sollen verlässlichere Aussagen als herkömmliche Verfahren liefern und helfen, Tierversuche zu vermeiden.

DynaMiTES (Dynamic Micro Tissue Engineering System)

DynaMiTES (Dynamic Micro Tissue Engineering System). Ein mikrofluidikbasiertes Testsystem für tierversuchsfreie Arzneimitteltests mithilfe von dreidimensionalen Zellkulturmodellen. | Kai Mattern/Institut für Mikrotechnik/TU Braunschweig

In einem Vorhaben soll ein Hornhautmodell so weiterentwickelt werden, dass es den hohen Anforderungen bei der Arzneimitteltestung gegen Augenkrankheiten entspricht. In einem zweiten Projekt soll eine menschliche nasale Schleimhaut auf einem Chip-System nachgebildet werden. In den zwei Projekten der TU Braunschweig wird an neuen Testverfahren geforscht, um Wirkstoffkandidaten und Arzneimittel ohne Tierversuche oder die Entnahme tierischen Gewebes zu testen. Gleichzeitig sollen verlässlichere Aussagen zur Bioverfügbarkeit im menschlichen Organismus erlangt werden. Das Institut für Pharmazeutische Technologie und das Institut für Mikrotechnik setzen dabei auf Organ-on-a-Chip-Systeme und Zellkulturen, die dynamische Prozesse am Auge und in der Nase besser abbilden.

Projekte mit BMBF-Förderung

Im Projekt „Ocular DynaMiTES“, vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert mit 321.000 Euro, soll eine künstliche Augenhornhaut als Modell so weiterentwickelt werden, dass damit Arzneimittel zur Anwendung am Auge zuverlässig getestet werden können. Im Projekt „NasaMuc“, ein Verbundprojekt mit dem Unternehmen InSCREENeX, wird ein Nasenschleimhaut-Modell erforscht, um neue Darreichungsformen zu erproben und eine bessere Wirksamkeit von Arzneimitteln zu erreichen. Die TU Braunschweig erhält dazu eine Förderung in Höhe von 390.000 Euro vom BMBF.

„Ocular DynaMiTES“ – Künstliche Augenhornhaut

In unserer immer älter werdenden Gesellschaft spielt die Entwicklung von neuen und kostengünstigen Arzneimitteln eine immer größere Rolle. Gerade auch im Bereich der altersbedingten Erkrankungen ist mit einer Zunahme von Augenerkrankungen zur rechnen, zum Beispiel durch Diabetes. Eine der größten Herausforderungen bei der Arzneimittelentwicklung ist, dass die Wirkstoffkandidaten am gewünschten Wirkort und in der erforderlichen Konzentration im Auge ankommen und bleiben. Erschwert wird das durch die hohe Barrierefunktion der Augenhornhaut (Cornea), den natürlichen Tränenfluss und auch durch den Lidschlag. Derzeit werden die Studien an entnommenen Hornhäuten oder direkt am Versuchstier durchgeführt. Dies führte in den letzten 15 Jahren zur Entwicklung von zellkulturbasierten Cornea-Modellen, die über vergleichbare Eigenschaften wie humanes corneales Gewebe verfügen. Jedoch hat sich gezeigt, dass statische Versuchsbedingungen in vielen Fällen zu falschen Interpretationen der Daten führten.

Mikrofluidisches System ist besser

Forscherinnen und Forscher der TU Braunschweig konnten in einer Proof-of-Concept-Studie zeigen, dass durch ein mikrofluidisches System (DynaMiTES - Dynamic Micro Tissue Engineering System) die Dynamik im Auge besser als bei statischen Versuchsaufbauten abgebildet wird. So können zum Beispiel die Barrierefunktion der menschlichen Augenhornhaut und auch Vorgänge an der Augenoberfläche nachempfunden werden. Prof. Stephan Reichl vom Institut für Pharmazeutische Technologie betont: „Mit diesem Versuchsaufbau kann die Aussagekraft von In-vitro-Versuchen drastisch erhöht und somit eine behördliche Akzeptanz des Modells erlangt werden“. Im Rahmen der BMBF-Förderung soll das bereits entwickelte zellbasierte, dynamische In-vitro-Testsystem für Substanzen (vorrangig Arzneistoffkandidaten) validiert werden.

Eingefärbte Zellkultur (lila) auf dem neu entwickelten 3D-Silkongitter

Auf einem neu entwickelten 3-D-Silikongitter siedeln sich menschliche Stammzellen an und agieren so, wie sie es auch im menschlichen Körper tun. Erste Versuche haben gezeigt, dass sich die Funktion der Zellen im Vergleich zu 2-D-Kulturen signifikant verbessern. Die neue Technologie kann dabei helfen, Tierversuche zu reduzieren.

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Nasenschleimhaut-Modell „NasaMuc“

Der Anteil von Wirkstoffen unter den neuentwickelten Wirkstoffkandidaten, die biopharmazeutisch als problematisch anzusehen sind, wird auf etwa 75 Prozent geschätzt. Problematisch ist dabei vor allem ihre mangelnde Wasserlöslichkeit, ein geringes Vermögen, Biomembranen zu durchdringen, oder eine geringe Stabilität im Magen-Darm-Trakt. Bei vielen Wirksubstanzen muss also über alternative Darreichungsformen nachgedacht werden. Die Anwendung von Wirkstoffen über die Nasenschleimhaut (nasale Mukosa) bietet einige Vorteile gegenüber der oralen Einnahme, zum Beispiel ist die Zellschicht in der Nase durchlässiger als jene im Darm, die Stabilität empfindlicher Wirkstoffe ist ausreichend hoch, und durch die sehr gute Durchblutung des nasalen Gewebes ist ein rascher Abtransport zum Wirkort möglich.

Bisher kein valides Testsystem der menschlichen Nasenschleimhaut

Auch die Studien zur Beurteilung der Wirkstoffaufnahme über die Nase werden in der Regel derzeit noch am Versuchstier oder an entnommenen tierischen Geweben durchgeführt. Professor Andreas Dietzel erläutert: „Bisher ist noch kein valides Testsystem der menschlichen Nasenschleimhaut als Alternative verfügbar. Ziel von ‚NasaMuc‘ ist deshalb die Entwicklung eines zellbasierten In-vitro-Testsystems“. Mit diesem Testsystem soll die Aufnahme von Wirkstoffkandidaten über die Schleimhaut analysiert werden, ohne auf Versuche an Tieren oder tierischem Gewebe zurückgreifen zu müssen.

Um die hohen Anforderungen an das Testsystem für die Arzneimittelentwicklung zu erfüllen, arbeiten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in einem Verbundprojekt zusammen: Beteiligt ist neben dem Institut für Pharmazeutische Technologie und dem Institut für Mikrotechnik auch das Unternehmen InSCREENeX GmbH, einer Gründung aus dem Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung (HZI).

BMBF-Förderschwerpunkt „Alternativmethoden zum Tierversuch“

Im Rahmen seines Programms zur Suche nach Ersatzmethoden zum Tierversuch hat das BMBF seit 1980 über 500 Projekte gefördert. Ein zentrales Ziel ist, die Umsetzung der Forschungsergebnisse in die Praxis zu beschleunigen. Die TU Braunschweig erhält für beide Forschungsprojekte eine Förderung im BMBF-Förderschwerpunkt „Alternativmethoden zum Tierversuch“ in Höhe von rund 710.000 Euro für drei Jahre.

Quelle: Technische Universität Braunschweig