Organoide und 3D-Kulturen für toxikologische Analysen von potentiell schädlichen Substanzen
Egal ob Essen und Trinken, Medikamente oder Umweltkontaminanten – alles, was in den Körper gelangt, kann seine unterschiedlichen Organsysteme beeinflussen. Bei Aufnahme toxisch wirkender Substanzen können Organe geschädigt oder in ihrer Funktion eingeschränkt werden. Der Magen-Darm-Trakt als Eintrittspforte in den Körper und Barriere, die Leber als Energiespeicher und Entgiftungsanlage, oder auch die Schilddrüse als Produzent lebenswichtiger Hormone, können so erheblich beeinträchtigt werden.
Für die Untersuchung von potentiell gesundheitsschädlichen Substanzen werden aktuell immer noch viele in vivo (im Körper) -Tierstudien durchgeführt. Als Alternative werden dreidimensional wachsende in vitro (im Reagenzglas) -Methoden entwickelt. 3D-Zellkulturen, wie zum Beispiel Organoide, ermöglichen es, organähnliche Funktionen im Labor nachzustellen. So kann die Toxizität von Chemikalien in einem System überprüft werden, das die physiologische Reaktion des Organs adäquat simuliert. Am Bf3R werden Organoide und 3D-Kulturen als moderne toxikologische Analyseplattformen etabliert, die zukünftig als standardisierte Alternativen zu Tierversuchen genutzt werden sollen.
Organoide
Organoide sind dreidimensionale in vitro-Kulturen, die aus Stammzellen oder entnommenem Gewebezellen verschiedener Organe gezüchtet werden können. Sie bilden komplexe Strukturen, die in Form und Funktion dem jeweiligen Organ deutlich näherkommen als herkömmliche Zellkulturen. Definierte Kulturbedingungen ermöglichen das Wachstum und die Selbstorganisation der Zellen, sowie die Bildung von organ-typischen Zelltypen, während ein Teil der Stammzellpopulation erhalten bleibt. Auf diese Weise lassen sich die unterschiedlichen Funktionen von Organen in vitro nachbilden – auch deren Reaktion auf toxische Substanzen. Organoide stellen somit ein kontrollierbares Werkzeug dar, um die Wirkung von Substanzen in einer in vivo-ähnlichen Kultur zu untersuchen.
3D-Modellsysteme am Bf3R - Analysen für die Toxikologie
Ein Ziel des Bf3R ist es, 3D-in vitro-Modelle für toxikologische Analysen zu entwickeln, zu standardisieren und für den Einsatz als alternative Methode zum Tierversuch zu implementieren.
Dabei wird besonders Wert daraufgelegt, die Kulturbedingen so zu wählen, dass möglichst auf Substanzen tierischen Ursprungs verzichtet werden kann. Zur umfassenden Qualitätskontrolle und zur Charakterisierung der 3D-Modelle werden etablierte Methoden eingesetzt, wie beispielsweise Immunfluoreszenzfärbungen, Genexpressionsanalysen und Live-Imaging. Mit Hilfe von morphologischen und metabolischen Auswertungsmethoden sollen toxikologisch relevante Wirkungen von Testchemikalien identifiziert werden.
Neben klassischen Organoiden werden komplexe multi-zelluläre Organoide (Assembloide), sowie Organ-on-a-Chip-Modelle etabliert. Des Weiteren sollen verschiedene Organoidmodelle miteinander verbunden werden, um in einem Multi-Organoid-System Wechselwirkungen von Substanzen zwischen Organen zu simulieren.
Projekte des Bf3R
Die Darmzellschicht hat eine sehr große Oberfläche und bietet dadurch eine große Absorptionsfläche für oral aufgenommene Substanzen. Diese gelangen nach Passieren der Darmbarriere oder nach erster intestinaler Verstoffwechselung (Stichwort Bioaktivierung) in den Blutkreislauf und verteilen sich im Körper. Viele aufgenommene Substanzen werden in der Leber verstoffwechselt und gespeichert. Toxische Substanzen können zum Teil von der Leber entgiftet werden – oder sie und andere lebenswichtige Organe schädigen. Aus diesem Grund haben der Gastrointestinaltrakt und die Leber eine große Bedeutung bei der Risikobewertung von chemischen Substanzen und Medikamenten hinsichtlich deren Aufnahme und potentieller toxischer Wirkung.
Daher liegt ein Schwerpunkt am Bf3R auf Dünndarm-, Dickdarm- und Leberorganoiden, die sowohl aus verschiedenen Spezies als auch aus humanen induzierten pluripotenten Stammzellen (hiPSCs) erzeugt werden. Diese Modelle ermöglichen die Untersuchung von Aufnahmeprofilen, Stoffwechselvorgängen und deren toxikologischen Konsequenzen, sowie organspezifischen Schädigungsmechanismen.
Ein weiterer Forschungsschwerpunkt liegt auf dreidimensionalen ex vivo (aus dem Körper genommenen) -Kulturen von Schilddrüsengewebe zur Analyse potentieller Wirkungen auf das Schilddrüsenhormonsystem. Denn aufgenommene Substanzen können auch die lebenswichtige, hormonproduzierende Schilddrüse, die Einfluss auf Wachstum und Stoffwechsel hat, beeinflussen.
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