Zellbasierte Geweberegeneration

Zellbasierte Gewebemodelle bieten die Möglichkeit, Aufbau, Funktion und Regeneration von Gewebe in vitro abzubilden und zu analysieren. Darüber hinaus ermöglichen sie gezielte Anwendungen wie das Screening von Wirkstoffen und deren Transport oder die in vitro Modellierung von krankheitsspezifischen Mechanismen.

Der Fokus der Arbeitsgruppe liegt in der Entwicklung funktionaler Gewebe- und Organmodelle des Menschen, die Studien physiologischer Prozesse der Zell- und Geweberegeneration erlauben. Darüber hinaus können diese Modelle als alternative Testsysteme in präklinischen Studien zur Wirkstoffevaluation und -entwicklung von Medikamenten oder Impfstoffen eingesetzt werden und tragen daher bedeutend zur Umsetzung der 3R-Prinzipien bei Tierversuchen, das heißt Replace, Reduce, Refine, bei. Zudem ermöglichen sie die zukünftige Weiterentwicklung zu zellbasierten Implantaten als Alternative zu konventionellen therapeutischen Strategien.

Stammzellbasierte Modelle von Barriere- und viszeralen Organen

Neben den klassischen Barriere-Organen Haut, Cornea, Darm, Trachea und der Blut-Hirn-Schranke etabliert die Arbeitsgruppe auch Modelle verschiedener viszeraler Organe, wie der Pankreas oder des Magens. Barriere-Organe bilden im Körper die Grenze zwischen dem Inneren des Körpers und der Außenwelt. Durch den direkten Kontakt mit der äußeren Umgebung sind sie eine potentielle Haupteintrittspforte für Krankheitserreger. Zugleich sind sie essentiell für den Stoffaustausch mit der Umwelt, etwa durch die Aufnahme von Sauerstoff oder essentiellen Nährstoffen. In der präklinischen Forschung ermöglichen sie die Bestimmung der Penetration von Substanzen oder die Analyse von barriereschädigenden Chemikalien. Unsere Modelle der viszeralen Organe, wie die iPS-abgeleiteten pankreatischen Inselmodelle, erlauben, neben Analysen allgemeiner biologischer Fragestellungen, zum Beispiel Entwicklungsprozesse, Untersuchung von zellulären Subpopulationen, Inselzellplastizität, auch die Aufklärung zugrundeliegender Pathomechanismen bei Diabetes mellitus. Vorteil unserer stammzellbasierten Modelle ist, dass diese neben detaillierten molekulargenetischen Analysen auch die Untersuchung spezifischer Differenzierungsprozesse in der Geweberegeneration in vitro möglich machen.

Unsere Gewebemodelle basieren auf biologischen oder synthetischen Carrierstrukturen, die möglichst in vivo-ähnliche Eigenschaften der Extrazellulärmatrix (EZM) aufweisen und mit organspezifischen Zelltypen rebesiedelt werden. Als Zellquellen dienen uns hierzu Zelllinien, primäre Zellen, Organoide und induziert pluripotente Stammzellen (iPS-Zellen). Für den Gewebeaufbau werden spezifische inhouse-entwickelte Bioreaktoren eingesetzt, die eine Simulation der natürlichen Mikroumgebung gewährleisten. Die Reifung der Gewebe kann durch dynamische Kulturbedingungen, mechanische Stimulation oder durch den Einsatz spezieller EZMs, zum Beispiel natürliche organspezifische oder artifizielle biometrische EZMs, unterstützt werden. Gewebeaufbau und -reifung als auch grundlegende biologische Eigenschaften werden mittels (immun-)histologischen Färbungen, ultrastrukturellen Analysen, zum Beispiel durch  Elektronenmikroskopie, oder anhand von Genexpressionsstudien, wie qRT-PCR, Einzelzell RNAseq, charakterisiert. Funktionalitätsprüfungen erfolgen beispielsweise durch elektrophysiologische Analysen, die Bestimmung der Barriereintegrität sowie der Transporteraktivität mittels zugelassener Referenzsubstanz.

Auszeichnungen für Alternativen zu Tierversuchen

Physiologische Gewebemodelle stellen eine hochinteressante und wissenschaftlich anerkannte Alternative zu Tierversuchen dar, um diese im Sinne des 3R-Prinzips zu vermeiden (Replace), deren Anzahl signifikant zu verringern (Reduce) oder deren Einsatz gezielt zu optimieren (Refine). In diesem Zusammenhang erfuhren bereits einige unserer etablierten Testsysteme als Ersatz für Tierversuche große öffentliche und wissenschaftliche Aufmerksamkeit. Hierzu zählen das primärzellbasierte Cornea-Modell, das hochsensitive Testungen augenirritativer Substanzen ermöglicht, als auch das aus iPS-Zellen abgeleitete Blut-Hirn-Schranken-Modell, welches mit dem renommierten Lush-Preis 2017 und den EPAA 3Rs-Science-Preis 2018 ausgezeichnet wurde.

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Dr.
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