Tissue Engineering für die

Wirkstoffentwicklung

Ursula Graf-Hausner

Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften

Organähnliche 3D Gewebemodelle

3D Zellkulturtechnik als

relevantes Werkzeug für

Wirkstoffentwicklung

Substanztestung

Regenerative Medizin

Grundlagenforschung

Tumormodell Hautmodell

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

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

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

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

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

Kompetenzzentrum Tissue Engineering for Drug

Development and Substance Testing TEDD

www.icbc.zhaw.ch/tedd

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Gebündelte Kräfte

TEDD

Vereint Forschung und Industrie

Fördert Entwicklung und Umsetzung

3D Zellkulturtechnik

Es gibt verschiedene Methoden

Gerüstbasiert

Gerüstfrei

Reinnervate

InSphero AG

Polystyrol

e

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

Anwendungsbeispiel

Knochenkrebs – Gewebemodelle für Forschung und

Wirkstoffentwicklung

Apoptose-Färbung (TUNEL assay)

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/

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

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

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.

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

Komplexe organähnliche Gewebemodelle

Layer-by-layer Printing

Biofactory, regenHU

Lebende humane Primärzellen

Druckbare Matrix BioInk™

In situ, nicht invasive Qualitätskontrolle

Bioprinting

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

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)

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)

Einladung

We go for 3D

Schliessen Sie sich unserem Netzwerk TEDD an

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