Miniaturisierte Organmodule in der Biosystemtechnik (OrBIT)

Projektidee und Zielstellung

Miniaturisierte Organmodule, sogenannte „Organoide“ sind extrem verkleinerte Organbestandteile, die noch in der Lage sind, die prinzipiellen Funktionen eines Organs abzubilden und ermöglichen die Modellierung komplexer physiologischer Systeme. In dem Projekt OrBIT soll ein miniaturisiertes Modell der menschlichen Blut-Hirn-Schranke, insbesondere mit einer neuartigen Formulierung der Basalmembran konzipiert werden.

Dieses Modell soll auf kommerziell erhältliche, mikrofluidische Technologieplattformen angepasst und verfügbar gemacht werden können. Es ist vorgesehen, für dieses neue Konzept Schutzrechte zu erwerben und mit der Validierung dieses Systems die Grundlage für den Transfer in die Praxis zu schaffen.

Herangehensweise

Methoden der modernen Zellbiologie erlauben es, menschlichen Vorläufer- und Stammzellen zu spezialisierten Zellen und „Organoiden“ zu differenzieren und somit die miniaturisierten Bioorgansysteme möglichst nah an menschlichen Metabolismus und menschliche Physiologie heranzuführen. Für die präklinische Wirkstofftestung ergibt sich daraus ein ganz besonderer Vorteil: Die teilweise beträchtlichen molekularen und systemischen Unterschiede zwischen Menschen und gängigen Versuchstieren können auf diese Weise überwunden und eine bessere Übertragbarkeit in die Klinik ermöglicht werden.

Eine besondere Herausforderung ergibt sich bei Modellierungen für das zentrale Nervensystem. Im Gegensatz zu allen anderen Organen ist das Hirngewebe durch ein zweischichtiges Schutzsystem, der Blut-Hirn-Schranke, vom zirkulierenden Blut getrennt. Die Blut-Hirn-Schranke ist ein hochselektiver Filter zum Schutz des Hirngewebes, allerdings werden therapeutische Behandlungen dadurch erschwert. Wirkstoffe, Nanopartikel, Vesikel und Zellen müssen dieses zweischichtige System, bestehend aus Perizyten, Basalmembran und Endothelzellen, durchdringen.

Eines der größten Hindernisse zur Etablierung von humanen Gewebeäquivalenten und Modellsystemen, vor allem im neuronalen Bereich, und deren industrielle Nutzung im Hochdurchsatz, stellt die Limitierung der notwendigen, spezialisierten Zellen dar. Diese Limitierung ist bedingt sowohl durch hohe ethische Bedenken im Bereich der embryonalen Stammzellen und Nutzung von embryonalen und fetalen Stamm- und Vorläuferzellen, wie auch durch die Begrenzung humanen Spendermaterials. Hier bietet die Nutzung von humanen induzierten pluripotenten Stammzellen, welche durch die Reprogrammierung adulter Zellen gewonnen werden können, eine Möglichkeit zur Produktion der notwendigen, spezialisierten Zellen. Das Fraunhofer IZI verfügt über etablierte Protokolle zur Herstellung von iPS-Zellen über virale Vektorsysteme, sowie proprietäre Protokolle zur Reprogrammierung ohne gentechnische Veränderung über mRNA.

Im Rahmen des Projektes sind wir offen für neue Projektpartner aus Industrie und Forschung. Dies umfasst die Testung und Entwicklung von mikrofluidischen Systemen, die Entwicklung von Zellkulturmaterialien und -systemen und die Nutzung des in-vitro-Modells zur Entwicklung neuer Therapien.