Biologische Materialanalytik

Die Arbeitsgruppe Biologische Materialanalytik entwickelt präklinische, zellbasierte Testmodelle für die biologische Beurteilung medizinischer Produkte. 

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, sowie in Kooperation 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.

Die Fraunhofer IKTS Arbeitsgruppe hat ihren Arbeitssitz am Fraunhofer-Institut für Zelltherapie und Immunologie IZI in Leipzig. Es bestehen enge Kooperationen zu Arbeitsgruppen am Fraunhofer IZI mit dem Ziel Medizinprodukte und Zelltherapeutika für industrielle Anwendungen voranzubringen und entwicklungsbegleitend zu testen.

In der präklinischen Testung von Wirkstoffen sind Bioassays (Potency 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 Bioassays, Mode of Action, Funktions- bzw. Sicherheitsanalysen zur Verfügung.

Projekte zum Thema:

• EU-HORIZON Kooperationsprojekt zum Thema »Next Generation BiOactiVe NAnocoatings« (Projektakronym: NOVA)
• Deutsch-Koreanisches AiF / ZIM-Kooperationsprojekt zum Aufbau eines markerfreien und spezifischen Analyseverfahrens zur standardisierten Evaluierung nicht-transparenter Biomaterialien in der Makrophagenaktivierung (Zellholographie / Lasergestützte Zelldissektion) – Kooperationsprojekt mit der HICS Company (Süd-Korea) und der LLS ROWIAK LaserLabSolutions GmbH (Deutschland)
• Dissertationen im Rahmen des Fraunhofer Attract-Projekts zu den Themen »Entwicklung eines kombinierten In-vitro-Testverfahrens zur Bewertung der osteo-immunologischen Eigenschaften medizinischer Produkte«, »Untersuchung des Einflusses experimenteller Bedingungen auf die Differenzierung von THP-1 Zellen zu polarisierten Makrophagen«

Konventionell werden Materialien in vitro in Zellkulturplatten untersucht, was quantitative Vergleiche zwischen Materialien (Prüfkörpern), bspw. 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.

Projekte zum Thema:

• BMWi – WIPANO-Projekt (Wissens- und Technologietransfer durch Patente und Normen) mit dem Ziel der Entwicklung eines quantitativen Direkt-Zytotoxizitätstest (als Standardtestverfahren) für Medizinprodukte – Kooperationsprojekt mit Eurofins BioPharma Product Testing Munich GmbH und DIN (Projektakronym: ToxQuant)
• EU-HORIZON Kooperationsprojekt zum Thema »Next Generation BiOactiVe NAnocoatings« (Projektakronym: NOVA)
• VDE / VDI BMBF VIP+ Kooperationsprojekt zum Thema »Universell einsetzbares In-vitro-Testsystem zur standardisierten, ressourcensparenden Durchführung von Biointerface-Studien« (Projektakronym: UniBioface)
• Fraunhofer-Kooperation: IAP, IFAM, ICT innerhalb Simpromat (BMBF-gefördert; Förderkennzeichen: FKZ 01IO1902): Weiterentwicklung des eigens entwickelten In-vitro-Testsystem mit Fokus auf die serielle Fertigung einzelner Komponenten und die Anwendung im Bereich anti-viraler Testung

Etablierung Makrophagen-basierter Bioassays (Potency Assays), 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, Zytotoxtest / Adhäsionsassay im direkten Zellkontakt)

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
• Machbarkeitsstudien und Validierungsstudien
• Etablierung und Validierung markerfreier / zerstörungsfreier Analysemethoden
• Entwicklung geeigneter (je nach Fragestellung angepasster) Testabläufe, inkl. 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 (inkl. Immunpotenzial)
• Zerstörungsfreie bildgebende Verfahren (u.a. Digitale holographische 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