Plenum Deutscher Ethikrat Tissue Engineering

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1 Lehrstuhl für Tissue Engineering & Regenerative Medizin und Fraunhofer IGB, Stuttgart Prof. Dr. Heike Walles Plenum Deutscher Ethikrat Tissue Engineering

2 Tissue Engineering Aufklärung der grundsätzlichen Mechanismen und Funktionen in gesunden und erkranktem Gewebe Entwicklung biologischer Ersatzgeweben zur: Unterstützung oder zumersatz von geschädigten oder ausgefallenen Gewebe oder Organfunktionen 2

3 Tissue Engineering und Regenerative Medizin endogene Regenerationspotential (Selbstheilungskräfte des Körpers) angestrebt wird die Entwicklung von Behandlungsverfahren die die Ursache einer Erkrankung therapiert (kausalen), um die bis dato praktizierte symptomatische und damit permanente Behandlung zu ersetzen. Fuchs JR. Ann Thorac Surg 2001, 72:

4 Lehrstuhl für Tissue Engineering & Regenerative Medizin und Fraunhofer IGB, Stuttgart Prof. Dr. Heike Walles

5 Mangel an Spenderorganen alternative Quellen Autotransplantation aus dem eigenen Körper Allotransplantation von einem anderen Menschen Zellen Gewebe Organe Tissue Engineering künstliche Organe Xenotransplantation Tiere als Organspender 5

6 Fiktion Tissue Engineering 6 Luc Besson, The 5th Element

7 Fiktion Tissue Engineering 7 Luc Besson, The 5th Element

8 Tissue Engineering Realität Konzept I. IV. II. III. I. Isolation von primären Zellen II. Kultur und Vermehrung in vitro III. Wachstum auf einer 3D Trägerstruktur IV. Transplantat V. humane in vitro Testsysteme (Alternativen zum Tierversuch) V. Testsysteme 8

9 Warum Alternativen zum Tierversuch? vom Molekül zum Medikament synthetisierte Chemikalien (aus 100 Forschungsprojekten) Hohe Kosten Lange Entwicklungszeiten IND submitted NDA submitted 250 Chemikalien 5 Chemikalien 1 Medikament Attrition 97,5% 80% Basic Preclinical Phase I Phase IIa Phase IIb Phase III Reg Research Market Years Costs m$ Launch prep Source: PhRMA, Pharmaceutical Industry Profile 2007; 9

10 Warum Alternativen zum Tierversuch? Spezies Unterschiede Beispiel Studien in zwei unterschiedlichen Arten, um das schwarze Schaf unter den Chemikalien zu identifizieren Test Substanzen 60% 1. Spezies 60% 2. Spezies 10

11 Realität: schwarze Schafe sind selten 11

12 Warum Alternativen zum Tierversuch? Spezies Unterschiede 2-3% toxische Substanzen unter den getesteten Chemikalien 64% falsch positiv 1. Tierart

13 Warum Alternativen zum Tierversuch? Spezies Unterschiede 84 % 64% 2. Tierart falsch positiv Hartung T. Nature 2009, 460:

14 Aufbau eines dreidimensionalen humanen Hautäquivalents Fibroblasten Keratinozyten Kollagen Tag 0 Tag 1 Tag 14 Kollagen und Fibroblasten Aussaat von Keratinozyten auf das Gel Air-lift Kultur 14

15 Tissue Engineering & Regenerative Medizin - Testsysteme Alternativen zum Tierversuch humane Haut (in vivo) Hautäquivalent IGB 15

16 Testdurchführung 1.Schritt 2. Schritt 3. Schritt Analyse Methoden Aufgabe der Substanz Inkubation at 37 C 5%CO 2 Zellvitalität Zytokinausschüttung Test Histologie und Immunhistologie Insert FACS Analyse Zellkulturmedium Microarray 16

17 Risikobewertung - Biokompatibilitätstests nach DIN ISO Akreditiertes 3 D humanes Hautäquivalent Irritationspotential Resorption und Penetration Proliferation Induktion von Nekrose/Apoptose Induktion von Inflammation 0sec 2sec 30 sec 90 sec 17

18 Anwendung des dreidimensionalem Hautäquivalents Wundheilungsstudien Kontrolle 3h nach Verletzung 24h nach Verletzung 72h nach Verletzung

19 Anwendung des dreidimensionalem Hautäquivalents Untersuchungen von Infektionsvorgängen C. albicans invasiver Stamm nicht pathogen Drug Screening 5 relevante Gene Kontrolle 20 h Urban FEBS Lett B12 IC72 20 h 19

20 Krankheitsmodell: Herpes-1 in vitro Modell Stress factor UVB Epidermis ) Basementmembran Dermis mit infizierten PC-12 Zellen Reaktivierung von HSV-1 nach UVB Behandlung mit infizierten PC-12 Zellen Red dots: HSV-1 positiv cells 20

21 3 D organoide Gewebeäquivalente - Hauttumor Mel Juso Zellen Mel Juso Zellen 14 Tagen 21

22 3 D organoide Gewebeäquivalente - Hauttumor BLM-cell line infiltrate the dermis M13 cell line build tumour nests SK Mel 28 cell line 22

23 Tissue Engineering: Problem Vaskularisation Niere Gehirn Leber 0,8 mm kritischer Abstand Mertsching, Biomaterials i 2003; 24:

24 artifizielle mikrovaskuläre Netzwerke Isolatierte Zellen Scaffold rapid prototyping t Bioartifizielle Gewebe ohne Gefäße Lumen der Gewäße > 3 mm im Durchmesser 24

25 Induktion der Angiogenese - Wachstumsfaktoren tube formation capillary like structures EC EC BLM coculture in a collagen gel 25

26 vaskularisierte Trägerstruktur für komplexe Gewebe BioVaSc porcine jejunum V A V A A V Kollagen I/III Scaffold mit tubulären Strukturen acellular porcine jejunum Mertsching, Biomaterials 2005;26(33):

27 Gewebespezifische Funktion Zell-Zell-Kontakt elektrische Stimulation Zell-Matrix-Kontakt electromagnetische Radiation Biochemische Stimulation mechanische Stimulation 27

28 Wichtigste biologische Komponente Zellen (Stamm-, Progenitor-, differenzierte (primäre) Zellen Bioreaktoren Scaffolds (synthetisch, ECM) Signale (Wachstumsfaktoren) 28

29 PC kontrolliertes Bioreaktorsystem 29

30 PC kontrolliertes Bioreaktorsystem Mertsching, Adv Biochem Eng Biotechnol. 2009;112:

31 Kulturmöglichkeiten 31

32 Kultur humaner Endothelzellen auf den azellularisierten Röhrenstrukturen Tapezieren zur Herstellung eines Blutgefäßäquivalents Mertsching, Biomaterials 2005;26(33): Schultheiss, J Urol ;173(1):

33 Tissue Engineering & Regenerative Medizin - Testsysteme Alternativen zum Tierversuch Prinzip der vaskularisierten 3D Gewebemodellen A B vaskularisierte Matrix C Lumen Vene Arterie Vene Arterie Blutgefäße Gewebespezifische Zellen Endothelzellen 33

34 Leber Testsystem Schanz, JBi Biotechnology (2010) accepted 34

35 neue tubuläre Strukturen Lumen Hepatozyten Matrix Kapillaren Gallengänge Schanz, JBi Biotechnology (2010) accepted 35

36 in vitro Angiogenese funktionelle Kapillaren hepatocytes Hepatozyten t Kapillaren Schanz, JBi Biotechnology (2010) accepted 36

37 Leber Testsystem sicherere Medikamentenentwicklung Leber Gewebe vital und funktionell länger als 4 Wochen Injektion der Substanzen über Arterie Ki67 x400 Analyse der Metabolite in der Vene Pan-Cadherin x 1000 multiple Applikation eines Wirkstoffes möglich Linke K..Tissue Engineering 2007; 13, Na-Ca-ATPase Schanz, J Biotechnology (2010) accepted 37

38 Darm Testsystem Resorption von Wirkstoffen oder Functional Food APIKAL Lumen AB BA BASOLATERAL Blood 2D Caco 2 Assay 3 D Testsystem in vivo 38

39 Trachea Modell Simulation der Resorption von Medikamenten und Schadstoffen über die Atemwege Einatmung 20 o C Luft Ausatmung 37 o C Luft Air filter biolische Trachea Oberfläche Pumpe 37 o C Wasser - Anfeuchten 39

40 Trachea Modell - Risikobewertung von Nanomaterialien Trachea-Bioreaktor

41 Trachea Modell - Risikobewertung von Nanomaterialien Trachea-Bioreaktor mertsching@igb.fraunhofer.de

42 3D Tumor Modell mit Blutgefäßversorgung Medium Blut 42

43 3D Tumor Modell mit Blutgefäßversorgung Medium Blut + Therapeutikum e.g. Antikörper Liposomen 43

44 3D Tumor Modell mit Blutgefäßversorgung olite Metabo 44

45 3D Tumor Modell mit Blutgefäßversorgung Life-Dead staining mit Fluoreszin-Diazetat + Propiumjodid B grün = vital rot = tot Onkologie 2007; 30(7): 388 Hugo Geieger Preis

46 Zusammenfassung Testsysteme Alternative ti zum Tierversuche 3Rs (Refine, Reduce, Replace, aber Akkreditierung und Anerkennung durch die Behörden Zeit- und Kosten-intensiver Weg anerkannt und häufig eingesetzt: Haut und Cornea REACH (Registration, Evaluation, Authorisation and Restriction of Chemicals,, also Registrierung, g, Bewertung, Zulassung und Beschränkung von Chemikalien) Entwicklung von Kosmetika EU Richtlinie Sicherere Medikamentenentwicklung durch die Verwendung primärer humaner Zellen Reduktion der Gefahr von unerwünschten Nebenwirkung in klinischen Studien (TGN 1412, 2006) aber von Gesetzgeber vorgeschrieben für die Zulassung Basic Preclinical Phase I Phase IIa Phase IIb Phase III Reg Research Market

47 Vollautomatisierte Herstellung humaner Testsysteme Zellquelle primäre Zellen Votum der Ethik Kommision, Aufklärung und Einwilligung der Patienten ips-zellen (induziert pluripotente Stammzellen) 47

48 Transplantate 48

49 DERMAGRAFT 49

50 Knorpel autolog erstes Matrix basiertes Implantat das von den Krankenkassen erstattet wird alleine in Deutschland über 5000 Patienten Klinische Multi-Centerstudie in Vorbereitung (BMBF: Regenerative Technologien) 50

51 Trachea Rekonstruktion Biopsie Kultur auf der Matrix SMC and FB Isolation porcines Jejunum Segment tracheobronchiale Rekonstruktion Scaffold Azellularization 51

52 BioVaSc Proof of concept Walles, Transplantation 88 (2009) (BMBF: Regenerative Technologien) 52

53 BioVaSc klinische Anwendung Klinischer Einsatz Anwendung als Second-line Verfahren Bronchusstumpfinsuffizienz Trachea-Hinterwandverletzungen tracheo-ösophageale Fisteln... Nr. Geschlecht Alter Diagnose Implantatdauer Verlauf Ergebnis 1 männlich 56 Bronchusstumpf-Insuffizienz rechts 16 Monate o. Befund sehr gut 2 männlich 63 Proof of concept (Arm) 1 Woche o. Befund sehr gut 3 männlich 63 cervicothorakale ösophagotracheale Fistel 3 Monate Sternuminsuffizie (6x2 cm) nz ARDS 4 männlich 28 intrathorakale ösophagotracheo-bronchiale Fistel (7x1 cm) seit Larynxstenose Kurzen Zeitraum volle Funktio n sehr gut Herausforderungen Reproduzierbarkeit geeignetes Antikoagulationsregime Immunogenität EU-weite Zulassung als ATMP Erstattungsfähigkeit weitere klinische Anwendungen (endokrines Pankreas) (Teil-) Automatisierung des Herstellungsprozesses

54 Regenerative Therapien - Anwendungen Ischämie Infarkt Herz Gehirn Blut Parkinson Leukämie Diabetes Cirrhosis Hepatitis Pankreas Leber Lunge Niere COPD Lungenemphysem Nierenversagen Arthritis Knochen/Knorpel Osteoporose Verletzungen Haut Verbrennungen Muskel- dystrophie Muskel 54

55 Die Höhen und Tiefen von Biotechnologie Firmen 1990s: The Go-Go Years : The Sobering Years 2005 and on: Back to the Future

56 Regenerative Medizin : In der Entwicklung kommerziell $2, $250 $610 $ Robert M. Nerem

57 Verkaufte Produkte ($ Millionen) Robert M. Nerem

58 Entwicklung Investment 2007 Interactive Biomaterials $84 Cells & Biomaterials $218 Stem Cells $507 Multiple/Other $55 About two thirds of this total pre commercial spending ($864) is spent by companies with products (~50) in FDA-level clinical trials Robert M. Nerem

59 Zellquelle 63% der Firmen entwickeln allogene Produkte, nur 37 % autologe Transplantate

60 Stammzellen 61 % der Produkte sind adulte Stammzellen, 27 % Nabelschnurrblut bl und 12 % ES-Zell

61 Erwarteter Stammzell Markt: jährlicher Gewinn

62 Source: Robin Young Consulting

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64 Zusammenfassung Transplantate des Tissue Engineering und der Regenerativen Medizin Organismus niemals Organe???? Gewebe ja 64

65 Paradigmenwechsel im TE&RegMed Wichtigste biologische Komponente Signale (Wachstumsfaktoren, Biomaterialien, Bioreaktoren) Zellen (primäre Zellen (ips), Stammund Progenitorzellen) Scaffolds (synthetisch und ECM)

66 Herausforderungen Innervation und Vaskularization Scaffolds/ECM Immune-Akzeptanz mit ethischer Relevanz Zellquelle /Differenzierung aussagekräftige präklinische Tiermodelle klinische Endpunkte für safety/efficacy Zulassung/Erstattung (F&E = Steuergelder) spezialisierte Ärzte