Hintergründe und Fakten zur organotypischen Gewebekultur

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1 Hintergründe und Fakten zur organotypischen Gewebekultur Dreidimensionale Zellkulturen Aktueller Stand der Forschung in der organotypischen Gewebekultur Im Jahr 2007 wurden in Deutschland rund 2,6 Millionen Wirbeltiere bei Tierversuchen eingesetzt [1]. Mehr als 18 % davon dienten rechtlich vorgeschriebenen Versuchen bei der Herstellung oder Qualitätskontrolle von medizinischen Produkten bzw. toxikologischen Sicherheitsprüfungen [2]. Diese Zahl wird möglicherweise in den nächsten Jahren noch ansteigen, da die europäische Chemikalienverordnung REACH (Registrierung, Evaluierung und Autorisierung von Chemikalien) die Bewertung von etwa Chemikalien bis zum Jahr 2018 fordert. Doch viele Forschungsgruppen arbeiten derzeit intensiv daran, Tierversuche weitgehend durch Zell- und Gewebekulturen zu ersetzen. Erste Erfolge konnten bereits verzeichnet werden. Eine Erkenntnis ist, dass es für die kultivierten Zellen wichtig ist, in einer möglichst natürlichen Umgebung zu wachsen, um die gewünschten organtypischen Eigenschaften zu erhalten. Bislang wurden meist zweidimensionale Zellkulturen verwendet, die aus nur einer Zellschicht bestehen (Monolayer-Kulturen). In diesen Kulturen verlieren die Zellen jedoch sehr schnell ihre gewebetypischen Merkmale wie z. B. die Fähigkeit zur Synthese bestimmter Enzyme. Leberzellen büßen beispielsweise innerhalb von nur vier Tagen ihre Entgiftungsfähigkeiten ein [3]. Deshalb können mit Hilfe der Monolayer-Kulturen nur sehr bedingt Aussagen über die Wirkung bestimmter Stoffe im Körper getroffen werden. Ahmt man die natürliche mechanische und chemische Umgebung der Zellen jedoch besser nach, wie z. B. in dreidimensionalen Kulturen, werden die gewebetypischen Eigenschaften gut erhalten. Wichtig ist insbesondere der Einsatz der richtigen Gerüstsubstanzen, die die organspezifische Architektur imitieren. Dort sollten sich die Zellen gut verankern können, was neben dem Erhalt ihrer charakteristischen Merkmale auch die normale Zell-Zell-Kommunikation fördert. Probleme bereitet derzeit häufig noch die Integration von Blutgefäßen in die so gezüchteten künstlichen Organe. Doch gerade sie sind bei vielen Organen mit Ausnahme nicht durchbluteter Körperteile wie z. B. Knorpel und obere Hautschichten wichtig für einen naturgetreuen Nachbau und umfassende Untersuchungsmöglichkeiten der Aufnahme, Verteilung und Metabolisierung eines Stoffs im Körper.

2 - 2 - In dieser Hinsicht am weitesten fortgeschritten ist die Entwicklung einer künstlichen Leber für Medikamententests. Sie besitzt ein funktionsfähiges Blutgefäßsystem. Dieses wird von der Gruppe um Professor Heike Mertsching vom Fraunhofer-Institut für Grenzflächen und Bioverfahrenstechnik IGB in Stuttgart aus Schweinedärmen gewonnen, aus denen alle Schweinezellen entfernt werden. Danach erfolgt eine Besiedlung des verbliebenen Gerüsts mit menschlichen Leber- und Endothelzellen. Ein computergesteuerter Bioreaktor mit Schlauchpumpen sorgt schließlich für die Simulation des Blutkreislaufs. Die Zellen bleiben dadurch bis zu drei Wochen aktiv, wobei sie auch ihre ursprünglichen lebertypischen Eigenschaften beibehalten. Längere Aktivitätszeiträume sind nach Aussage der Gruppe denkbar. Auch an einem Nachbau der Niere wird intensiv geforscht nicht nur um Medikamente zu testen, sondern auch um ein Dialysemodul zu bauen, das aus patienteneigenen Zellen besteht. Hierzu entwickelte die Gruppe von Professor Will Minuth von der Universität Regensburg einen so genannten Gradientencontainer, mit dem sich die Bedingungen innerhalb der Niere simulieren lassen. Darin werden an den Zellen wie in einer echten Niere auf beiden Seiten verschiedene Flüssigkeiten vorbeigeströmt: auf der Oberseite ein urinähnliches und auf der Unterseite ein blutserumähnliches Medium. Dadurch bilden sich aus embryonalen Zellen die nierentypischen Epithelzellen, deren Aktivität man über mehrere Monate aufrecht erhalten kann. In anderen Versuchen gelang es der Forschungsgruppe sogar schon, das Blutgefäßsystem der Niere in Grundzügen nachzubilden. Einfacher aufgebaute Gewebe, die kein Blutgefäßsystem besitzen, wie z. B. die Oberhaut, sind bereits kommerziell erhältlich und für die Stoffüberprüfung zugelassen. Quellen: [1] Aigner appelliert an Wirtschaft und Wissenschaft, Versuchstierzahlen weiter zu senken, Pressemitteilung Nr. 187 des BMELV vom 21. November [2] Bundesregierung: Tierschutzbericht [3] Pampaloni, F., Reynaud, E.G., Stelzer, E.H.K. (2007): The third dimension bridges the gap between cell culture and live tissue, Nature Reviews Molecular Cell Biology 8,

3 - 3 - Haut und Epithelien Industrielle Anwendungen organotypischer Gewebe heute Bereits heute können einige der einfacher aufgebauten Gewebe käuflich erworben werden und finden Anwendung in der Medizin und Industrie. Dazu gehören vor allem nicht durchblutete Körperteile wie Knorpel, Knochen oder obere Hautschichten. Insbesondere Modelle der Oberhaut (Epidermis) sind schon von etlichen auch deutschen Anbietern erhältlich. Sie sind organotypisch aufgebaut und weisen bis hin zur Verhornung alle Eigenschaften normaler Haut auf. Eingesetzt werden sie hauptsächlich bei Haut-Irritations- und Ätzversuchen. Derzeit ist die Herstellung der Hautmodelle aber noch sehr langwierig und nicht automatisiert. Deshalb kann der EU-weite Bedarf von mehr als 6,5 Millionen cm 2 im Jahr bei weitem nicht gedeckt werden [1]. Forscher der Fraunhofer-Institute für Produktionstechnologie IPT in Aachen und für Grenzflächen und Bioverfahrenstechnik IGB in Stuttgart arbeiten jedoch an einer vollautomatischen Produktionsanlage für zweischichtige Hautmodelle und haben sich zum Ziel gesetzt, in zwei Jahren die erste Haut-Fabrik fertig gestellt zu haben. Neben den Hautmodellen sind Modelle des Zahnfleisches und der Vaginalschleimhaut erhältlich. Das in vitro-modell der Augenhornhaut (Cornea) ist ebenfalls etabliert. Es kann den umstrittenen Draize-Test an Kaninchen ersetzen, mit dem untersucht wird, wie stark verschiedene Substanzen die Augen reizen. Quelle: [1] Haut aus der Maschine, Pressemitteilung der Fraunhofer-Gesellschaft vom 18. Mai

4 - 4 - Organe von der Stange? Zukunftsperspektiven der organotypischen Gewebekultur Die organotypische Gewebekultur steckt im Moment noch in den Kinderschuhen. Dem Erhalt der optimalen Funktionalität der Zellen durch die Wahl geeigneter Medien und Gerüstsubstanzen soll in der naheliegenden Zukunft besondere Aufmerksamkeit gewidmet werden. Ein Durchbruch auf diesem Gebiet könnte den Aufbau von Gewebebanken ermöglichen, aus denen dann bei Bedarf nur die passenden Stücke bestellt werden müssen. Dies würde sowohl die Nutzung der Gewebe zur Stoffbewertung als auch ihren Einsatz als medizinische Transplantate stark vereinfachen. Eine optimale Funktionalität der kultivierten Gewebe ließe auch erstmals die in vitro-untersuchung von Krankheits- und Infektionsmechanismen zu. Gleichzeitig könnte man die Modelle nutzen, um die Regenerationsfähigkeit verschiedener Gewebe zu testen. Dazu würden gezielt Verletzungen gesetzt, um anschließend zu beobachten, wie sich das Gewebe regeneriert. Interessant wäre auch die Entwicklung individueller Therapien und Medikamente. So könnte man z. B. einem Krebspatienten eine Gewebeprobe aus dem Tumor entnehmen, diese außerhalb des Menschen kultivieren und daran geeignete Therapien entwickeln. Sobald eine wirksame Behandlung gefunden ist, überträgt man sie auf den Patienten. Das wäre für ihn wesentlich weniger belastend, als die derzeit noch praktizierte Methode, bei der verschieden Therapien direkt am Patienten ausprobiert werden müssen. Organe von der Stange liegen zurzeit allerdings noch in weiter Ferne. Möglicherweise lässt sich dieser Traum aber eines Tages tatsächlich erfüllen.

5 - 5 - Organotypische Gewebekulturen zur Stoffbewertung Segen oder Fluch? Das sagen Befürworter: Der Tierverbrauch wird durch weniger Tierversuche verringert. Die Verwendung humaner Zellen und Organe macht eine Übertragbarkeit der Ergebnisse auf den Menschen einfacher als der Tierversuch. Der Stoffwechsel von Mensch und Tier ist so unterschiedlich, dass 30 % aller Nebenwirkungen erst in klinischen Studien zutage treten. [1] Tierversuche sind im Vergleich zu Zellkulturen aufwändig, langwierig und teuer. Neue Medikamente könnten schneller eingeführt werden. Heute erreicht ein potenzielles neues Medikament, das in Phase I der klinischen Studien untersucht wird, nur mit einer Wahrscheinlichkeit von 8 % auch Marktreife. Diese hohe Fehlerrate verursacht hohe Kosten und kann durch den Einsatz spezifischer Zellkultur-Tests verringert werden. [2] Die Variabilität der Ergebnisse aus Zell- und Gewebekulturen ist geringer. Die benötigten Probenmengen sind wesentlich geringer. Die unterschiedlichen Reaktionen von Mensch und Tier auf eine Substanz können besser vergleichend untersucht werden. Das sagen Gegner: Es bestehen nach wie vor rechtliche und ethische Bedenken bei der Verwendung von Stammzellen. Die in vitro-modelle sind noch nicht standardisiert. Bei der Verwendung verschiedener Zelllinien könnte sich der genetische Unterschied zwischen zwei Menschen in den Ergebnissen bemerkbar machen. Es ist schwierig, Zellen in (dreidimensionalen) Kulturen gleichmäßig einzelnen Substanzen auszusetzen. Zum Teil sind die kinetischen Prozesse, die in den Kulturen ablaufen, noch völlig unklar, was die Interpretation der Ergebnisse erschwert. Die Faktoren, die zur Differenzierung von Stammzellen in verschiedene Zelltypen (wie z. B. Leber-, Herz- und Nervenzellen) nötig sind, sind noch nicht vollständig bekannt. Quellen: [1] Künstliche Leber für Medikamententest, in: Fraunhofer Mediendienst, Nr , Sonderausgabe [2] Pampaloni, F., Reynaud, E.G., Stelzer, E.H.K. (2007): The third dimension bridges the gap between cell culture and live tissue, Nature Reviews Molecular Cell Biology 8,