Biologische Materialanalytik

cell culture plate 12 well
© Fraunhofer IZI

Die Entwicklung bio- und immunkompatibler medizinischer Produkte, wie Medizinprodukte und Arzneimittel, erfordert die Betrachtung der Wechselwirkung zwischen Materialien bzw. Wirkstoffen und der Biologie (Biomoleküle, Zellen und Gewebe), um diese sicher am und im Menschen einsetzen zu können.

Die Arbeitsgruppe Biologische Materialanalytik verfolgt deshalb einen interdisziplinären Ansatz. An der Schnittstelle von Medizinprodukt- bzw. Arzneimittelentwicklung und Immunbiologie werden Materialien, Substanzen und Wirkstoffe für industrielle Partner bewertet, optimiert oder neu entwickelt. Dafür werden auch standardisierte, diagnostische Screening-Testverfahren entwickelt.

Im Mittelpunkt stehen zellbasierte Testszenarien, Testsysteme und Analyseverfahren für den In-vitro-Einsatz. Die entwickelten Prozesse bilden das Grundgerüst für die zu untersuchenden Fragestellungen. In der Umsetzung liegt der Fokus vor allem auf physiologischen Abläufen, d. h. Prozessen in Patient*innen. Mit solchen In-vitro-Prüfungen in der präklinischen Phase können die für den jeweiligen Anwendungszweck geeignetsten Materialien / Wirkstoffe zügig und zuverlässig identifiziert, bewertet und somit die Entwicklung neuartiger medizinischer Produkte beschleunigt werden. Den Testszenarien werden passende Annahmekritierien der Methodenentwicklung und -validierung zugrunde gelegt.

Immunzell-basierte Mode of Action-Assays zur Wirkstoffentwicklung

In der präklinischen Testung von Wirkstoffen sind Bioassays, insb. Mode of Action-Assays, unabdingbar, um den gewünschten Wirkmechanismus zu untersuchen bzw. in vitro zu validieren.

Dafür wurden in der Arbeitsgruppe verschiedene Szenarien entwickelt:

  1. Wegen ihrer Schlüsselrolle in Entzündungsprozessen wurden Makrophagen-basierte, standardisierte Inflammationsmodelle ausgearbeitet, anhand derer verschiedene inflammatorische oder immunmodulatorische Mechanismen untersucht werden können.
  2. Verschiedene Testabläufe zur Untersuchung der Wechselwirkung mit Makrophagen und / oder mesenchymalen Stammzellen (zum Beispiel in der Knochenneubildung) stehen für Mode of Action-, Funktions- bzw. Sicherheitsanalysen zur Verfügung.
Response-Kurve der TNFα Expression eines Inflammationsmodells als Antwort auf verschiedene Konzentrationen eines anti-inflammatorischen Wirkstoffs
© Fraunhofer IZI
Response-Kurve der TNFα Expression eines Inflammationsmodells als Antwort auf verschiedene Konzentrationen eines anti-inflammatorischen Wirkstoffs.
Färbung der durch humane mesenchymale Stammzellen gebildeten extrazellulären Matrix (grün) ohne (A) und mit inflammatorischem Einfluss (B). Messbalken 100 µm.
© Fraunhofer IZI
Färbung der durch humane mesenchymale Stammzellen gebildeten extrazellulären Matrix (grün) ohne (A) und mit inflammatorischem Einfluss (B). Messbalken 100 µm.
Inhibierung der Makrophagen-TNFα-Sekretion durch sekretorische Faktoren immun-aktivierter humaner mesenchymaler Stammzellen.
© Fraunhofer IZI
Inhibierung der Makrophagen-TNFα-Sekretion durch sekretorische Faktoren immun-aktivierter humaner mesenchymaler Stammzellen.

Neuartiges Prüfsystem für die biologische Materialtestung

Konventionell werden Materialien in vitro in Zellkulturplatten untersucht, was quantitative Vergleiche zwischen Materialien (Prüfkörpern), beispielsweise mit unterschiedlichen Geometrien, erschwert.

Zur verlässlichen Analyse von Oberflächen wurde das patentierte In-vitro-Testsystem ClicKit-Well entwickelt (DE 102018221415 B3). Mit seinen oberflächenstandardisierten Arealen (zum Beispiel 96-Well Format) auf Material-Prüfkörpern erlaubt es quantitative Vergleiche zwischen Materialien.

Damit hebt das Testsystem den bisher schwer umsetzbaren bzw. materialabhängigen Zelldirekt-Kontakttest der DIN ISO 10993-5 auf ein neues Level: Beispielsweise können Zellen gleichermaßen auf leichten und schweren Materialien ausgesät und anschließend im Vitalitätsassay hinsichtlich ihrer Biokompatibilität quantitativ ausgewertet werden. Dies ermöglicht eine gezielte Analyse zytotoxischer Effekte von Oberflächentopografie bzw. -chemie auf die Zellvitalität. Ein paralleler Extrakttest nach DIN ISO 10993-5 kann zusätzlich vergleichend durchgeführt werden.

Das In-vitro-Testsystem wurde analog zu Zellkulturplatten entworfen.
© Fraunhofer IKTS
Das In-vitro-Testsystem wurde analog zu Zellkulturplatten entworfen.
Die gängigen Zellkulturformate 96-, 48-, 24-Well sind als Module nach Belieben austausch- und einsetzbar.
© Fraunhofer IKTS
Die gängigen Zellkulturformate 96-, 48-, 24-Well sind als Module nach Belieben austausch- und einsetzbar.
Prüfkörper in verschiedenen Dimensionen und Geometrien können untersucht werden. Beim Schließen des In-vitro-Testsystems werden standardisierte Oberflächen gebildet und wasserdicht verschlossen.
© Fraunhofer IKTS
Prüfkörper in verschiedenen Dimensionen und Geometrien können untersucht werden. Beim Schließen des In-vitro-Testsystems werden standardisierte Oberflächen gebildet und wasserdicht verschlossen.

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Biologische Materialanalytik für medizinische Produkte

Etablierung Makrophagen-basierter Screening- und Mode of Action-Assays für Service und Transfer

  • Testung des immunmodulatorischen Potenzials von Wirkstoffen, Materialien oder Substanzen
  • Testung der Zytotoxizität von Makrophagen in Form von aktiven Substanzen, Materialextrakten oder im direkten Zell-Materialkontakt
  • Immuntoxikologische Untersuchungen (analog ISO 10993-10, -20 und -22)
  • Zelllinienbasiert und / oder Einsatz von Primärzellen (human)

Untersuchung zum Einfluss von Materialien und Wirkstoffen auf die Knochenbildung

  • Entwicklung / Etablierung standardisierter In-vitro-Testszenarien (»New Bone« Assay)
  • Kombinierte Analyse zu osteo-immunologischen Eigenschaften von Testmaterialien / -wirkstoffen in der Knochenbildung in vitro
  • Differenzierungs-Assays zelllinienbasiert oder mit Knochenmark-Primärzellen (human)

Biologische Beurteilung von Materialien (im Rahmen von Forschung und Entwicklung) analog DIN EN ISO 10993

  • In-vitro-Zytotoxizitätstests analog zur ISO 10993 zur Beurteilung der Biokompatibilität (Extrakttests, neu entwickelter quantitativer Zytotoxtest im direkten Zellkontakt (Projekt), Zytotoxizität von Nanomaterialien)

Methodenentwicklung

  • Entwicklung geeigneter Methoden und Analyseverfahren zur biologischen Evaluierung von Biomaterialien / Medizinprodukten sowie Wirkstoffen / Arzneimitteln für industriell-transferierbare Screening-Assays
  • Entwicklung neuer immun- und zellbiologischer Assays, u.a. für die direkte Anwendung auf Materialoberflächen (zum Beispiel quantitativer Zytotox-Test, »Inflammation«-Assay)
  • Machbarkeitsstudien und Validierungsstudien
  • Etablierung und Validierung markerfreier / zerstörungsfreier Analysemethoden (Zell-Material-Interaktion)
  • Entwicklung geeigneter (je nach Fragestellung angepasster) Testabläufe, inklusive Kontrollen, und Erstellung entsprechender Protokolle (SOPs)  

Analytik

  • Zell-Sekretom (zum Beispiel ELISA, Luminex)
  • Oberflächenmarker (zum Beispiel Immunfluoreszenz-Mikroskopie, FACS)
  • Genexpression (qPCR)
  • Enzymaktivitätsbestimmung
  • Biochemische Assays (zum Beispiel Protein-, Kalziumbestimmung)
  • MSC-Charakterisierung nach ISCT-Kriterien (inklusive Immunpotenzial)
  • Zerstörungsfreie bildgebende Verfahren (u.a. Digitale holographische Mikroskopie, Akustische Mikroskopie (im Aufbau))

Weitere Kompetenzen der Arbeitsgruppe Biologische Materialanalytik

  • Regulatorische Fragestellungen für Medizinprodukte (Medical device regulation, EU 745/2017)
  • Aktive Mitarbeit ISO 10993 (Mitglied im DIN-Gremium NA 027-07-12 AA / Experte in ISO TC194, Ansprechpartnerin: Dr. Susanne Kurz)
  • LEAN-Prinzipien / Prozessoptimierung
  • New Work

Ausgewählte Projekte und aktuelle Forschungskooperationen

Hier zeigen wir Ihnen eine Auswahl aktueller Projekte.

Publikationen / Patente

Hier finden Sie eine Übersicht der Publikationen, die aus der Forschungsarbeit unserer Arbeitsgruppe hervorgegangen sind.