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.
Tiermodelle sind für die Erforschung der Biologie, der embryonalen Entwicklung des Knochens und für biomedizinische Untersuchungen von Knochenerkrankungen immer noch unverzichtbar. Doch sind Tierversuche im muskuloskeletalen Bereich oft mit einer erheblichen Belastung der Versuchstiere verbunden. Weiterhin erschweren Spezies-spezifische Unterschiede die Übertragbarkeit von Ergebnissen auf den Menschen. Bislang gibt es keinerlei experimentelle in vitro Verfahren, die die wesentlichen Entwicklungsschritte des Knochens in ihrer Komplexität nachstellen, um z.B. Substanzen auf ihre therapeutische oder toxische Wirkung hinsichtlich der Skelettentwicklung testen zu können.
Organ-Chip-Systeme
Organ-Chip-Systeme sind miniaturisierte Bioreaktoren und eignen sich besonders, um die Physiologie eines bestimmten Gewebes nachzubilden und die Ko-Kultur von Zellen in 2D und 3D zu ermöglichen. Anders als bei herkömmlicher 2D-Zellkultur können hier gewebespezifische Parameter nachgebildet werden, um die Funktion eines Organs teilweise oder vollständig nachzubilden. In diesem Projekt soll ein Knochen-auf-dem-Chip entwickelt werden.
Knochen-auf-dem-Chip-System
Das Knochen-auf-dem-Chip-System umfasst eine 3D Nachbildung des Knochens, die alle wichtigen humanen Zelltypen enthält. Der Sauerstoffgehalt in unseren Knochen sowie die mechanische Belastung, der wir täglich ausgesetzt sind, sind wichtige physikalische Parameter, die die Funktion des Knochens mitbestimmen. Deshalb nutzen wir den miniaturisierten Bioreaktor, um den Sauerstoffgehalt und die mechanische Belastung zu überwachen und zu regulieren, um damit die Umgebung des Knochens möglichst realitätsnah zu imitieren.
Der Knochen-auf-dem-Chip soll es ermöglichen, adultes Gewebe sowie die Neubildung von Knochen während der Embryogenese nachzubilden. Damit ist eine Reihe verschiedener Anwendungen in der Grundlagenwissenschaft und Toxikologie denkbar. Je nach Organoid können z.B. die Prozesse der embryonalen Knochenneubildung (desmale und enchondrale Ossifikation) abgebildet werden. Eine Stärke des Knochen-auf-dem-Chip besteht darüber hinaus in der Möglichkeit, Krankheitsmodelle zu erstellen, indem primäre Zellen von erkrankten Patienten genutzt werden, um Organoide zu erstellen und somit Krankheitsbilder wie Osteoporose im Labor nachzubilden. Dies könnte zukünftig die Testung neuer Medikamente und Behandlungsstrategien ohne den Einsatz von Versuchstieren ermöglichen. Ein humaner Knochen-auf-dem-Chip hat das Potential, die Biologie der Knochenbildung im Labor untersuchen zu können, direkt teratogen wirkende Substanzen zu identifizieren und Krankheitsmodelle zu erstellen. Somit können Tierversuche in ihrer Anzahl reduziert oder auch gänzlich ersetzt werden.
Publikationen
Scheinpflug, J., Höfer, C. T., Schmerbeck, S. S., Steinfath, M., Doka, J., Afework Tesfahunegn, Y., Violet, N., Renko, K., Gulich, K., John, T., Schneider, M. R., Wistorf, E., Schönfelder, G., Schulze, F. (2023) A microphysiological system for studying human bone biology under simultaneous control of oxygen tension and mechanical loading. Lab on a Chip, 2023 July 3.
Externer Link:https://doi.org/10.1039/D3LC00154G
Marx-Stoelting, P., Solano, M.L.R., Aoyama, H., Adams R.H., Bal-Price A., Buschmann, J., Chahoud, I., Clark, R., Fang, T., Fujiwara, M., Gelinsky, M., Grote, K., Horimoto, M., Bennekou, S.H., Kellner, R., Kuwagata, M., Leist, M., Lang, A., Likurz fürLithium, W., Mantovani, A., Makris, S.L., Paumgartten, F., Perron, M., Sachana, M., Schmitt, A., Schneider, S., Schönfelder,. G, Schulze, F., Shiota, K., Solecki, R. (2021). 25th anniversary of the Berlin workshop on developmental toxicology: DevTox database update, challenges in risk assessment of developmental neurotoxicity and alternative methodologies in bone development and growth. Reprod Toxicol, 100, 155-162.
Externer Link:https://doi.org/10.1016/j.reprotox.2020.11.003
Solecki, R., Rauch, M., Gall, A., Buschmann, J., Kellner, R., Kucheryavenko, O., Schmitt, A., Delrue, N., Likurz fürLithium, W., Hu, J., Fujiwara, M., Kuwagata, M., Mantovani, A., Makris, S.L., Paumgartten, F., Schönfelder, G., Schneider, S., Vogl, S., Kleinstreuer, N., Schneider, M., Schulze, F., Fritsche, E., Clark, R., Shiota, K., Chahoud, I. (2019) Update of the DevTox data database for harmonized risk assessment and alternative methodologies in developmental toxicology: Report of the 9th Berlin Workshop on Developmental Toxicity. Reprod Toxicol. 89, 124-129.
Externer Link:https://doi.org/10.1016/j.reprotox.2019.07.003
Schulze, F., Schneider, M.R. (2019). Hoffnung oder Humbug? Organ-on-a-chip in der biomedizinischen Forschung und als Alternative zum Tierversuch. Deutsches Tierärzteblatt, 67(10). Externer Link:https://www.bundestieraerztekammer.de/btk/dtbl/archiv/2019/artikel/DTBl_10_2019_Organ-on-a-chip.pdf
Scheinpflug, J., Pfeiffenberger, M., Damerau, A., Schwarz, F., Textor, M., Lang, A., & Schulze, F. (2018). Journey into Bone Models: A Review. Genes, 9(5).
Externer Link:https://doi.org/10.3390/genes9050247
Kodzius, R., Schulze, F., Gao, X., & Schneider, M. R. (2017). Organ-on-Chip Technology: Current State and Future Developments. Genes, 8(10).
Externer Link:https://doi.org/10.3390/genes8100266
Schulze, F., Gao, X., Virzonis, D., Damiati, S., Schneider, M. R., & Kodzius, R. (2017). Air Quality Effects on Human Health and Approaches for Its Assessment through Microfluidic Chips. Genes, 8(10).
Externer Link:https://doi.org/10.3390/genes8100244
Ziel des Projektes „MIVI Modell“ ist es, synthetische Embryonen, sogenannte Embryoide, zu etablieren, die ein physiologisches und funktionelles in vitro-Modell der Säugetierembryogenese darstellen. Dies beinhaltet die Formation von Zellaggregaten aus drei verschiedenen Zellpopulationen, die im Blastozysten-Stadium unterschieden werden: 1) dem Epiblast – aus dem später der Fetus entsteht, 2) dem Trophektoderm – aus dem sich später die Plazenta entwickelt, sowie 3) dem primitiven Endoderm – aus dem der Dottersack entsteht. Da wichtige Schritte der embryonalen Entwicklung auch während der Einnistung in die Gebärmutterschleimhaut (Endometrium) stattfinden, wird parallel ein geeignetes endometriales Modellsystem entwickelt. Beide Komponenten sollen durch molekularbiologische und bildgebende Methoden, wie Lebendzellmikroskopie und Zweiphotonen-Fluoreszenzmikroskopie, charakterisiert werden.
Mit Hilfe des MIVI-Modells schädliche Substanzen identifizieren
Die erfolgreiche Etablierung des embryonalen und des endometrialen Modells wird die Identifizierung von schädlichen Substanzen ermöglichen, welche die Embryonalentwicklung oder gar eine erfolgreiche Implantation stören. Die Embryoide können als Pre-screening Tool genutzt werden, um chemische Stoffe auf embryotoxische Eigenschaften zu prüfen, wodurch ein Teil der Studien im Tier vermieden werden könnte. Des Weiteren soll das Modell für die entwicklungsbiologische Grundlagenforschung verwendet werden, d. h. zur Identifizierung und Untersuchung von Mechanismen der Zellkommunikation und spezifischer Signalwege. Ein Großteil dieser Fragestellungen wurde bislang mit Tierversuchen untersucht. Neben der hier zu erwartenden Verringerung dieser Tierversuche eröffnet das Modell zusätzlich Einblicke in Prozesse der Implantation, die bislang in vivo gänzlich unzugänglich sind.
Das MIVI-Modell kann als eine Erweiterung des am BfRkurz fürBundesinstitut für Risikobewertung entwickelten Embryonalen Stammzell-Tests (EST) genutzt werden, um die Prüfung von chemischen Stoffen auf embryotoxische Eigenschaften zu verbessern und somit auch zu einer Reduktion von Tierversuchszahlen durch die Anwendung von Alternativmethoden beizutragen.
Publikationen
Ban, Z., Knöspel, F., & Schneider, M. R. (2020). Shedding light into the black box: Advances in in vitro systems for studying implantation. Developmental Biology, 463(1), 1–10.
Externer Link:https://doi.org/10.1016/j.ydbio.2020.04.003
Knöspel, F., Ban, Z., Schönfelder, G., & Schneider, M. R. (2019). Next milestone in understanding early life-blastoids mimic embryogenesis in vitro. Biology of Reproduction, 100(1), 11–12.
Externer Link:https://doi.org/10.1093/biolre/ioy182
Niethammer, M., Burgdorf, T., Wistorf, E., Schönfelder, G. and Kleinsorge, M. (2022). In vitro models of human development and their potential application in developmental toxicity testing. Development, 149 (20), dev200933.
Externer Link:https://doi.org/10.1242/dev.200933
Wieloch, J., Blanco, J., Zordick, C., Ohnesorge, N., Schneider, M. R., Barenys, M. and Knöspel, F. (2025). "In vitro embryolethality testing during the peri-implantation stage using 3D mouse embryoids: Comparison with 2D mouse cell cultures and the zebrafish embryo model". Reproductive Toxicology 135(-):108941
Externer Link:https://doi.org/10.1016/j.reprotox.2025.108941
Ziel des Projekts ist die Etablierung eines menschlichen Neurosphären-Erkrankungsmodells, das die durch intrauterine Wachstumsrestriktion (IUGR) induzierten Veränderungen in der Neuroentwicklung nachahmt. Dieses Modell wird für zwei Zwecke verwendet: um die grundlegenden Prozesse der von IUGR betroffenen Neuroentwicklung besser zu charakterisieren und um die Wirksamkeit und Sicherheit neuer neuroprotektiver Therapien zu testen. Das Projekt wird ein Modell erstellen, mit dem die Bewertung neurologischer Entwicklungsveränderungen, die durch IUGR in Grundfunktionen der Neurogenese hervorgerufen werden, ohne den Einsatz von Versuchstieren möglich sein wird. Das bedeutet, dass wir das derzeitige Tier, bei dem eine In-vivo-Induktion der IUGR durch einen chirurgischen Eingriff oder eine Diäteinschränkung erforderlich ist, durch eine auf menschlichen Zellen basierende In-vitro-Methode ersetzen werden.
Drittmittelprojekt
Förderung durch: Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt
Förderdauer: 2025 - 2028
Weitere Informationen: Externer Link:https://www.bfr.bund.de/projekt/humanisierung-eines-neurosphaerenmodells-fuer-wachstumsbeschraenckte-neuroentwicklung/
Stand: