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Humane In-vitro-Lebermodelle für pharmakologische und toxikologische Untersuchungen

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Ansprechpartner:
Dipl.-Ing. (FH) Kirstin Linke
Dr. Johanna Schanz







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Monolayerkultur von Hepatozyten.

Hepatotoxizität ist der häufigste Grund dafür, dass neue Medikamente nicht zugelassen oder bereits zugelassene Medikamente wieder vom Markt genommen werden müssen. Das macht die Leber zu einem interessanten Testsystem für pharmakologische Untersuchungen und die Risikobewertung neuer Wirkstoffe. Von besonderem Interesse sind hierbei humane Modelle, da sich die Ergebnisse, die im Tierversuch oder -modell generiert wurden, aufgrund von Interspeziesunterschieden im Stoffwechsel nicht immer direkt auf den menschlichen Organismus übertragen lassen.

Die Herausforderung bei der Entwicklung humaner Lebermodelle ist es, die Funktionalität der Hepatozyten (Leberzellen) in vitro über Tage oder Wochen aufrechtzuerhalten. Das Fraunhofer IGB forscht deshalb speziell an der Entwicklung von Kulturmethoden, die diesem zellulären Funktionsverlust durch die Bereitstellung einer möglichst körperähnlichen Mikroumgebung entgegenwirken. Die Mikroumgebung eines Hepatozyten im Körper beinhaltet eine geeignete Trägerstruktur (Matrix) für die Zellen, ebenso wie eine ausreichende Versorgung und den Kontakt bzw. die Kokultur mit anderen, nicht-parenchymalen Zelltypen der Leber.

     
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Hepatozyten in der Sandwichkultur.
  Kollagenhydrogel-Sandwichkultur
Für die Kultivierung der primären Leberzellen (Hepatozyten) in der dreidimensionalen Sandwichkultur verwenden wir eine am Institut etablierte, GMP-konform hergestellte Kollagen-I-Matrix. Diese natürliche Bindegewebsstruktur erlaubt den Hepatozyten, sich dreidimensional zu organisieren und die für sie lebenswichtigen Zell-Zell-Verbindungen auszubilden. So bleiben der differenzierte Phänotyp »Leberzelle« und die Funktionalität reifer Hepatozyten in vitro bis zu zwei Wochen erhalten. Als zusätzlicher Stimulus können für den Aufbau der Sandwichkulturen auch azellularisierte Darmstücke, die sogenannte SIS (Small Intestinal Submucosa) verwendet werden, die neben Kollagen I auch andere wichtige Bestandteile der extrazellulären Matrix sowie gebundene Wachstumsfaktoren enthalten.
   
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Leber im Bioreaktor

Vaskularisiertes Lebermodell im Bioreaktor.

 

Vaskularisiertes Lebermodell –
Kokultur von Endothelzellen und Leberzellen
Das Modell basiert auf einer Matrix mit Blutgefäßsystem (BioVaSc – Biological Vascularized Scaffold), auf der Hepatozyten und Endothelzellen physiologisch unter ähnlichen Bedingungen wie in der Leber kultiviert werden. Die dynamische Kultur der Matrix in einem Bioreaktorsystem sorgt dabei für eine optimale Versorgung der Zellen sowie für den Abtransport von Toxinen und Abbauprodukten. Parameter wie Fließgeschwindigkeit, Durchflussmenge, Druck und Puls dieses Versorgungskreislaufs werden computertechnisch gesteuert und moduliert. Mit der dreidimensionalen, dynamischen Kultur können Wachstum und leberspezifische Funktionen der Hepatozyten (Albuminsynthese, Harnstoffsynthese, Galaktoseabbau sowie Phase-I- und Phase-II-Metabolismus) in vitro über mehrere Wochen erhalten und nachgewiesen werden. Vitalität und Stoffwechselaktivität lassen sich dabei über AST-, ALT- und LDH-Freisetzung sowie Laktatbildung bestimmen. Das vaskularisierte Lebermodell wird im Fraunhofer IGB momentan mit verschiedenen Wirkstoffen intensiv geprüft.

     
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    Einsatzmöglichkeiten
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Gallenkanälchenbildung im vaskularisierten Lebermodell.
 

Die am Fraunhofer IGB entwickelten Lebermodelle können im Kundenauftrag zur Untersuchung von neuen Wirkstoffen und deren möglicherweise zyto- bzw. hepatotoxischen Metaboliten eingesetzt werden.

Während das einfache Sandwichmodell die parallele Durchführung einer großen Anzahl an Experimenten erlaubt, ermöglicht das vaskularisierte Lebermodell die Testung von Wirkstoffen an einem komplexen, organähnlichen System sowie auch die Untersuchung von Mehrfachapplikationen und Langzeiteffekten. Weiterhin ist das vaskularisierte Lebermodell ein interessantes Grundlagenmodell zur Untersuchung von Stammzelldifferenzierung oder anderen wissenschaftlichen Fragestellungen.

   
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2010-09-17
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