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Tissue Engineering für die
Wirkstoffentwicklung
Ursula Graf-Hausner
Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften
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Organähnliche 3D Gewebemodelle
3D Zellkulturtechnik als
relevantes Werkzeug für
Wirkstoffentwicklung
Substanztestung
Regenerative Medizin
Grundlagenforschung
Tumormodell Hautmodell
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Disease – target – assay – hits – lead, optimization -
pre-clinical, clinical testing - NDA new drug application
Wirkstoffentwicklung heute
DRUG
Von 10’000 Verbindungen zu einem durch FDA anerkannten Wirkstoff
Kostet Zeit (10 Jahre) und Geld (1Mia $ oder mehr)
30% der in Tieren getesteten Verbindungen scheitern in der klinischen
Studie
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Das Zellverhalten (Vermehrung, Differenzierung, Metabolismus)
von 2D ist komplett unterschiedlich zu 3D Kulturen
Erhöhte Vermehrungsrate in 3D verglichen mit 2D (Jeanes et al.
2011)
Unterschiedliche metabolische Aktivität von Zellen in 3D
verglichen mit 2D, z.B. mehr Laktatproduktion von MCF-7 und
höhere Tamoxifen-Resistenz (Dhiman et al. 2005)
Crosstalk zwischen verschiedenen Zelltypen ist nötig, nicht
möglich in 2D (Froeling et al. 2010)
2D Zellkultur ist limitiert
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Liefert aussagekräftige Daten
Erhöht die Berechenbarkeit
Erlaubt eine frühe Beurteilung
bezüglich Sicherheit von
Substanzen und allfälliger
Risiken
Beschleunigt den
kostenintensiven Prozess der
Wirkstoffentwicklung
Reduziert Tierversuche
(teilweise durch die
europäische Gesetzgebung
gefordert, Bsp. Kosmetika) 3D placenta model
2D fibroblasts
Vorteile der 3D Gewebemodelle
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Die 3D Zellkultur hat grosses Potential
Verschiedene Technologien sind bereits am Markt
erhältlich
Einige Forschungsgruppen und Firmen arbeiten an
innovativen Konzepten, um dem Marktbedürfnis zu
entsprechen.
Für die Routineanwendung
bleibt aber noch viel zu tun
Grosses Marktbedürfnis
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für die Routineanwendung in Industrie und Forschung:
Flexible Systeme, breite Anwendung, vernünftige Kosten
Verfügbarkeit und hohe Reproduzierbarkeit
Zuverlässige biologische und klinische Relevanz
Standardisierung und Qualitätskontrolle
Organähnliche Komplexität – Multi-organ chip
Geeignete Analysemethoden
Automation für hohen Durchsatz
Validierung
Tumor Mikrogewebe
Anforderungen
Multi-organ chip,
Tissuse, U. Marx, TU Berlin
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Kompetenzzentrum Tissue Engineering for Drug
Development and Substance Testing TEDD
www.icbc.zhaw.ch/tedd
8
Gebündelte Kräfte
TEDD
Vereint Forschung und Industrie
Fördert Entwicklung und Umsetzung
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3D Zellkulturtechnik
Es gibt verschiedene Methoden
Gerüstbasiert
Gerüstfrei
Reinnervate
InSphero AG
Polystyrol
e
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Systeme
• Mit starren Gerüsten
• Mit Hydrogelen
• Ohne Gerüste
Synthetisches Hydrogel (Cellendes
GmbH) mit Darmkrebs-Sphäroiden,
BD Matrigel, natürliche Komponenten,
BD Biosciences und andere Polycaprolacton,
Polystyrol -/+ abbaubar, 3D Biotek
Hanging drop technology
InSphero AG
3D Zellkulturtechnik
Patterned nanoculture
plate, Scivax
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Anwendungsbeispiel
Knochenkrebs – Gewebemodelle für Forschung und
Wirkstoffentwicklung
Apoptose-Färbung (TUNEL assay)
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Hintergrund: • Osteosarkom (OS) ist der am häufigsten
vorkommenden bösartigen Knochenkrebs
• Betrifft hauptsächlich Jugendliche in der
Wachstumsphase zwischen 15 und 19
Jahren
• Trotz seltenem Auftreten (3 /1000/Jahr) oft
tödlich – schnell Metastasen in der Lunge,
Überlebensrate 25% innerhalb 5 Jahre
• Tritt in der Metaphyse der langen Knochen
auf
• Grosse Inhomogenität, verschiedene
Zelltypen, deshalb oft schlechte Wirkung
der Chemotherapeutika
Knochenkrebs
Schematische Ansicht
http://cnx.org/content/m46281/latest/
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Charakterisierung der Gewebe aus Zelllinien und primären Zellen aus Biopsien
bezüglich Morphologie, Zellvermehrung und Apoptose (Zelltod)
Gewebe aus verschiedenen Zelltypen zeigen sehr unterschiedliche
Wachstumsprofile
Reflektiert die Inhomogenität der Tumore und ihre schlechte Antwort auf
Chemotherapie
Osteosarkom-Gewebemodelle
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Dosisabhängigkeit und IC50-Werte 5 gängiger Chemotherapeutika
(Doxorubicin, Cisplatin, Taxol, Taurolidin, Pemetrexed)
SaOS-2 HOS Reproduzierbare Kurven
und IC50-Werte
Taxol hat auf HOS-
Zellgewebe keinen
Einfluss. In Einklang mit
der klinischen Studie
Phase II (Patel et al.,
1996)
Pemetrexed hat keinen
Einfluss. Bestätigt die
kürzlich eingestellte
klinische Studie Phase II (Duffaud et al., 2012)
Wirkstofftestung
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Chancen für die personalisierte Medizin
Die vorliegenden Daten zeigen die biologische Relevanz der 3D
Zellkultur, sie korrelieren mit Resultaten von klinischen Studien.
3D OS Modelle können gleichermassen mit primären Zellen aus
Biopsien von Patienten hergestellt werden (osteoblastische und
chondroblastische Tumore)
Eröffnet den Weg für die personalisierte Medizin. Mit
Gewebemodelle aus Patientenmaterial kann die Chemotherapie
individuell optimiert werden.
Durch Kombinationen von Wirkstoffen kann ein synergistischer
Weg untersucht werden.
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Innovative Technologien - Bioprinting
Neue Technologie, kann die enorme Komplexität
menschlicher Gewebe und Organe angehen.
Exakte Positionierung von verschiedenen Zelltypen,
Biomolekülen und Matrixkomponenten möglich
Biofabrikation organähnlicher, lebender Gewebe
entsprechend gewünschter Topologie und
Funktionalität
Automatisierbar und reproduzierbar
In situ Qualitätskontrolle möglich
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Komplexe organähnliche Gewebemodelle
Layer-by-layer Printing
Biofactory, regenHU
Lebende humane Primärzellen
Druckbare Matrix BioInk™
In situ, nicht invasive Qualitätskontrolle
Bioprinting
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Gedrucktes Hautequivalent
Dermis und Keratinozyten on top
Bioprinting
Dermis Equivalent nach 2 Tagen
Kultivierung. Die lebenden
Bindegewebszellen sind blau
gefärbt (MTT) Scale bar = 100 μm
Dermis Equivalent nach 5 Tagen
Kultivierung. Actin/DAPI Färbung
(Zytoskelett/Kerne) der Bindegewebszellen
im Gerüst. Scale bar = 20 μm
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Printbare Matrix: universelle “BioInk”
(PEG-basiert, halbsynthetisch)
Zellverträglich, Zelladhäsion und
Migration möglich
Steifigkeit modulierbar
Photo-induzierte Polymerisation
Einweg- Einheiten “ready to use”,
käuflich erhältlich
Bioprinting
PEGDMA
UV-LED
(365 ± 10 nm)
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Qualitätskontrolle durch optische Kohärenztomographie OCT
Nicht invasives in situ Monitoring
Im Bioprinter integriert, um Bilder während des Druckvorganges
aufzunehmen
Histologische und OCT-Bilder korrelieren
Eigenschaften
Scanning field 5 x 5 cm, Scanning depth 3 mm, Resolution ~ 6 µm
Bioprinting
Epidermis
Dermis
OCT-Bild HE-Färbung (scale bar = 100 μm)
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Einladung
We go for 3D
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Dank
Forschungsteam ZHAW,
Institut Chemie und
Biologische Chemie
Industrie- und Forschungspartner
InSphero AG
regenHu
Berner Fachhochschule
Universitätsspital Balgrist, Zürich
Finanzielle Unterstützung
KTI
Gebert Rüf Stiftung