Präklinische Modelle

Projekte

NANOpain – Präklinische Modelle zur Bewertung der Sicherheit eines Nanopartikel-konjugierten Opiats

Im Rahmen eines, vom BMBF geförderten Verbundprojekts, wird ein kombiniertes Wirkstoffpräparat zur Schmerzlinderung in präklinischen Studien untersucht. Ziel ist es Sicherheitsrisiken vor der erstmaligen Anwendung in Patient*innen zu minimieren. Bei dem Präparat handelt es sich um eine Kombination aus einem Opiat und eines dendritischen Nanotransportmoleküls (Nanocarrier). Am Fraunhofer IZI werden die sicherheitsrelevanten präklinischen Untersuchungen in entsprechenden Tiermodellen (Kleintiermodell, Großtiermodell) unter GLP-Bedingungen durchgeführt. Zusammen mit der Herstellung des Prüfpräparats unter GMP-Bedingungen durch DendroPharm wird so die Voraussetzung geschaffen, um das entwickelte Arzneimittel anschließend am Fraunhofer-Institut für Toxikologie und Experimentelle Medizin in einer klinischen Phase-I-Studie zu unteruchen. Das Medikament wird dazu bei aufsteigender Einzel- und Mehrfachgabe auf Sicherheit und Verträglichkeit an gesunden Proband*innen überprüft. Damit ist ein weiterer Schritt Richtung Marktreife eines potenziellen neuen Schmerzmittels erfolgt.

Entwicklung eines neuartigen Therapie­konzepts für chronisch-entzündliche Darmerkrankungen (CED) über nicht-toxische Liganden des Arylhydrocarbon-Rezeptors

Unter dem Sammelbegriff chronisch-entzündliche Darm­erkrankungen (CED) werden Krankheitsbilder zusammen­gefasst, die sich durch schubweise rezidivierende oder kontinuierlich auftretende, entzündliche Veränderungen des Darms auszeichnen. Die wichtigsten CED sind Morbus Crohn und Colitis ulcerosa. Rund 300 000 Menschen leiden in Deutschland derzeit an diesen beiden Erkrankungen, die mit jahre­langen Bauchschmerzen und Durchfällen, aber auch mit starker Abgeschlagenheit verbunden sind.

Das Ziel konventioneller Therapien bei CED ist die Ent­zündung mit entzündungshemmenden Medikamenten zurückzudrängen. Eine Heilung ist bisher nicht möglich, d.h. die medikamentöse Therapie muss i.d.R. lebenslang aufrechterhalten werden. Das liegt insbesondere daran, dass es sich um systembezogene Therapien handelt. Es gibt nach wie vor keinen therapeutischen Ansatz der die bei CED auftretende Fehlregulation des Darmimmunsystems kausal und nachhaltig beeinflusst. Operative Maßnahmen sind oft mit Komplika­tionen und Änderungen in der Lebensqualität verbunden. Das Darmmikrobiom, welches maßgeblich durch die Ernährung aber auch durch den Einsatz von Antibiotika beeinflusst wird, spielt eine wesentliche Rolle bei der Entstehung von CED. Daher spielen die Ernährung und Alternativen zur Antibiotikatherapie eine zunehmende Rolle bei der Entwicklung neuer Behandlungsansätze dieser Erkrankungen. Neuere Studien belegen, dass der Arylhydrocarbon-Rezeptor (AhR) ein sehr vielversprechendes neuartiges therapeutisches Target bei CED darstellt.

Zahlreiche Arbeiten haben inzwischen gezeigt, dass der AhR im angeborenen sowie im adaptiven Immunsystem eine wichtige Rolle bei der Aufrechterhaltung der Immun­homöostase und bei der Kontrolle von Entzündungsreak­tionen im Darm spielt. Der AhR ist von zentraler Bedeutung für die Kommunikation zwischen Immunzellen und Darm­epithelzellen. AhR-Liganden aus der Nahrung oder aus der Mikrobiota aktivieren den AhR und fördern dadurch das Überleben und die Proliferation von Immunzellen und tragen so wesentlich zur Immunhomöostase bei. Auf Basis der kürzlich veröffentlichten AhR-Struktur soll ein aussagekräftiges Pharmakophormodell entwickelt werden, das durch die Verwendung von struktur- und ligandenbasierten Methoden für die Selektion neuer bisher unbekannter AhR-Liganden als Kandidaten für den späteren therapeutischen Einsatz bei CED benutzt werden soll. Zudem sollen in einem Repurposing-Ansatz für andere Indikationen bereits zugelassene Medikamente oder in der klinischen Prüfung befindliche Arznei­mittelkandidaten als potenzielle AhR-Liganden identifiziert werden.

Das Projekt wird im Rahmen des Fraunhofer Cluster of Excellence Immune-Mediated Diseases (CIMD) unterstützt.

 

Projektleitung
Dr. Jörg Lehmann

GLP-konforme Prüfung eines allogenen, Matrix-assoziierten Zelltransplantates aus mesenchymalen Stromazellen des Nabelschnurgewebes

Verletzungen des Gelenkknorpels sind häufig mit fortschreitenden Abnutzungserscheinungen verbunden. Dies führt zu arthrotischen Veränderungen, Schmerzen und dem Verlust der Funktionsfähigkeit des Gelenkes. Da Gelenkknorpel nur über ein geringes Regenerationspotenzial verfügen, ist dieser Vorgang oftmals irreversibel. Für einen zellulären Knorpelersatz scheinen mesenchymale Stromazellen aus Nabelschnurgewebe eine attraktive alternative Quelle für regenerative Therapien darzustellen. Die Zellen sind jung, vital und verfügen über ein hohes Proliferations- und Differenzierungspotenzial. Zudem wirken sie immunmodelierend und entzündungshemmend. Für allogene Anwendungen ergeben sich zusätzliche Vorteile in Bezug auf Toleranz, Gewinnung und ethische Aspekte.

Am Fraunhofer IZI soll an einem geeigneten Kleintiermodell die Sicherheit einer solchen zellulären Therapie überprüft werden. Dazu werden sowohl die Migration der Zellen in andere Gewebe als auch eine mögliche Neigung der Zellen, Tumore zu bilden, untersucht. Diese präklinischen Versuche sollen evaluieren, ob das Zelltransplantat den gesetzlichen Anforderungen zur Sicherheit solcher Therapien entspricht.

 

Projektleitung
Dr. Jörg Lehmann

BioBreast – Präklinische Sicherheitsprüfungen eines neuartigen Brustimplantats

Testung einer miniaturisierten Version des Brustimplantats im Zytotoxizitätsassay in vitro
Testung einer miniaturisierten Version des Brustimplantats im Zytotoxizitätsassay in vitro
Mikroskopische Ansicht der Zellen unter der Gerüststruktur des Implantats
Mikroskopische Ansicht der Zellen unter der Gerüststruktur des Implantats

Brustkrebs stellt weltweit die häufigste Krebserkrankung bei Frauen dar. Oft ist im Zuge der Therapie die chirurgische Entfernung von Brustgewebe erforderlich. Nach solch einer Mastektomie gibt es nur wenige Optionen für eine Brust­rekonstruktion, die zudem mit verschiedenen Komplikationen verbunden sein können. Als Alternative zu herkömmlichen Implantationsprodukten für die Rekonstruktion der Brust, z. B. aus Silikon, hat das Unternehmen BellaSeno GmbH eine innovative Lösungsstrategie entwickelt. Hier soll die Implantation einer patientinnenspezifischen Gerüststruktur aus bioresorbier­barem Polycaprolacton in Kombination mit einer Eigenfett­auffüllung eine komplikationsärmere Rekonstruktion des Brustgewebes gewährleisten. Die finale Entwicklung des Implantats sowie die Herstellung und die Sicherheits­prüfungen für die Zulassung als Medizinprodukt werden im Rahmen eines SAB-Projekts der BellaSeno GmbH, der GeSIM GmbH und des Fraunhofer IZI gefördert.

Nach der finalen Entwicklung durch die BellaSeno GmbH wird die Gerüststruktur im 3D-Druckverfahren in der Haupt­abteilung GMP Zell- und Gentherapie GMP-konform her­gestellt. Die Implantationsstrategie sowie die Funktionalität des Implantats werden anschließend im Großtiermodell evaluiert. Da es sich bei dem neuartigen Implantat um ein Medizin­produkt der Risikoklasse III handelt, müssen laut Medizin­produktegesetz präklinische und klinische Untersuchungen durchgeführt werden, um die biologische Sicherheit in Patientinnen zu gewährleisten. Die präklinischen Sicherheits­prüfungen werden in Anlehnung an die DIN EN ISO 10993 in der GLP-Prüfeinrichtung des Fraunhofer IZI durchgeführt. Die Prüfungen umfassen sowohl die Charakterisierung und Analyse der Degradierungsprodukte der resorbier­baren Gerüststruktur als auch die Prüfung einer potenziellen Zyto­toxizität in vitro und systemischen Toxizität im Mausmodell. Für die bessere Charakterisierung des Implantats wurden bereits Abbaustudien durchgeführt, welche die einzelnen Degradierungsprodukte des resorbierbaren Implantats identifizierten. Weiterhin wird gemäß DIN EN ISO 10993-5 derzeit das zytotoxische Potenzial der Gerüststruktur in vitro untersucht. Anschließend folgen die Prüfungen der lokalen Effekte nach der Implantation sowie der systemischen Toxizität in der Maus.

Ziel des Projekts ist es, die Grundlagen für die Zulassung eines alternativen Implantats für die komplikationsarme und ver­besserte Regeneration von Brustgewebe zu schaffen. Perspektivisch wird die Zulassung als Medizinprodukt sowie die Testung des Implantats im Rahmen einer klinischen Studie angestrebt.

 

Projektleitung
Dr. Jörg Lehmann

Pflanzenextrakte als Wirkstoffe zur Behandlung chronisch-entzündlicher Darmerkrankungen

Chronisch-entzündliche Darmerkrankungen (CED), wie Morbus Crohn und Colitis ulcerosa, sind multifaktorielle Erkrankungen des Gastrointestinaltraktes, deren Inzidenz und Prävalenz v. a. in Industrie- und Schwellenländern seit mehreren Jahrzehnten stetig ansteigt. Obwohl die Erkrankungen eine niedrige Mortalität aufweisen, leiden die Patient*innen lebenslang unter Episoden von starken Schmerzen und blutigen Durchfällen. Als Ursache für die Entstehung von CED wird ein Zusammenspiel von genetischen Faktoren, Umwelteinflüssen und einer fehlgeleiteten Immunantwort gegen die Mikrobiota des Darms vermutet. Daher bestehen aktuelle therapeutische Ansätze v. a. in der Hemmung der chronischen Immunreaktion im Darm mit Immunsuppressiva und Biologika. Da diese Therapien jedoch oft starke Nebenwirkungen zeigen, verfolgt die Pharmaindustrie die Entwicklung neuer Therapien mit geringeren Nebenwirkungen. Das für solche Entwicklungen häufig verwendete Modell der akuten Natrium-Dextransulfat (DSS)-induzierten Kolitis kann den chronischen Verlauf der Erkrankungen nur unzureichend darstellen. Daher wurde in der AG Präklinische Modelle ein chronisches Modell entwickelt, das den Krankheitsverlauf besser abbildet und zudem die Belastung für die Versuchstiere reduziert. Das Modell zeichnet sich durch eine hohe Reproduzierbarkeit aus und ist daher hervorragend für die präklinische Evaluation von Wirkstoffen geeignet. Das Modell der chronischen DSS-Kolitis wurde bereits erfolgreich in Projekten mit Industriepartnern eingesetzt. Zudem konnte im Rahmen eines Eigenforschungsprojekts die therapeutische Wirkung eines auf Salbeiblüten und Koloquintenfrüchten basierenden pflanzlichen Extrakts nachgewiesen werden. Im nächsten Schritt sollen nun die spezifischen Wirkstoffe des Extrakts identifiziert und auf ihre therapeutische Wirkung hin untersucht werden. Der Einsatz von Phytopharmaka in der CED-Therapie könnte eine Verringerung der Dosis und damit eine Reduzierung der Nebenwirkungen klassischer Therapeutika ermöglichen. Zusätzlich könnten solche Therapien in Phasen der Remission eingesetzt werden, um damit der Entwicklung einer Resistenz gegen klassische Therapeutika vorzubeugen. Ziel ist es, die von CED-Patient*innen benötigte lebenslange Therapie so effektiv und erträglich wie möglich zu gestalten und damit die Lebensqualität der Patient*innen zu verbessern. 

 

Projektleitung
Dr. Nadine Vollack-Hesse

Pressemitteilungen

Entwicklung eines humanisierten Mausmodells zur Herstellung humaner monoklonaler Antikörper und Identifizierung neuer therapeutischer Zielstrukturen gegen TNBC

In diesem Projekt liegt der Fokus auf der Entwicklung und Etablierung eines humanisierten Mausmodells (huNSG; huNOG) zur Gewinnung neuartiger voll humaner monoklonaler Antikörper, die zur Therapie von Tumorerkrankungen (Pilotprojekt: dreifach-negatives Mammakarzinom) eingesetzt werden sollen. Hierbei kommen immundefiziente NSG- oder NOG-Mäuse zum Einsatz, die nach Transfusion humaner hämatopoetischer Stammzellen aus Nabelschnurblut ein humanisiertes Immunsystem ausgebildet haben. Durch gezielte Beeinflussung des Engraftments soll die Entwicklung tumorspezifischer B- und T-Zellen gefördert werden. Parallel dazu werden den Mäusen, die ein humanisiertes Immunsystem ausgebildet haben, Tumorzellen von Zelllinien (CDX) oder Patient*innenisolate (PDX) transplantiert oder sie werden mit einem bekannten tumorspezifischen oder tumorassoziierten Antigen immunisiert. Zur Generierung tumorspezifischer, komplett humaner monoklonalen Antikörper, werden die B-Zellen isoliert und mit humanen Plasmozytomzellen fusioniert. Potenzielle Antikörperkandidaten werden zunächst in vitro in einer 2D- und 3D-Zellkultur auf ihr Internalisierungs- und Metastasierungsverhalten, sowie auf eine mögliche Komplement- und / oder NK-Zell-Aktivierung getestet (durchflusszytometrische Analysen; Echtzeitzellanalysen (xCELLigence®RTCA) und Lebendzell-Mikroskopie). Die Antikörper, die in vitro die besten Ergebnisse zeigen, werden weiter in präklinischen Studien (GLP-analog) im humanisierten Tumor-Xenotransplantat-Mausmodell (PDX) auf ihre Wirksamkeit geprüft und ggf. für den klinischen Einsatz optimiert z. B. als Antibody Drug Conjugate (ADC), Antibody Cytokine Conjugate (ACC) oder bispezifische Antikörper.

Projektleitung
Claudia Müller

Präklinische Tiermodelle für die Testung neuer CED-Therapien

Chronisch-entzündliche Darmerkrankungen (CED) sind multifaktorielle Erkrankungen des Gastrointestinaltrakts, deren Inzidenz und Prävalenz vor allem in Industrie- und Schwellenländern stetig ansteigt. Als Ursache für die Entstehung von CED werden genetische Faktoren, Umwelteinflüsse und eine fehlgeleitete Immunantwort gegen die Mikrobiota des Darms diskutiert. Aktuelle therapeutische Ansätze, wie Immunsuppressiva und Biologika, zeigen oft starke Nebenwirkungen. Deshalb wird die Entwicklung neuer Therapien auf der Basis einer besseren Kenntnis der ursächlichen Faktoren für CED dringend benötigt.

Ziel des Eigenforschungsprojekts ist die Entwicklung und Charakterisierung verschiedener CED-Tiermodelle für das Testen neuer Therapien und die Aufklärung von Pathogenesemechanismen. Dazu wurde ein Modell der chronischen DSS-Kolitis etabliert, das typische Symptome wie Gewichtsverlust und chronische, blutige Durchfälle aufweist. Zudem können im Darmgewebe der Tiere eine andauernde Immunreaktion und daraus resultierende Ulzerationen nachgewiesen werden. Außerdem wurde die bakteriell induzierte chronische Kolitis als alternatives Tiermodell für CED etabliert, das vor allem die Rolle der Mikrobiota in der Pathogenese und / oder als neuartiges therapeutisches Target im Fokus hat. Beide Modelle sollen sowohl für präklinische Studien als auch für die Aufklärung der Pathogenese und die Entwicklung neuer Therapien eingesetzt werden, wobei der Fokus bei Letzterem derzeit auf der Untersuchung des therapeutischen Potenzials von pflanzlichen Wirkstoffen liegt.

Zusammen mit dem Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung UFZ führen wir außerdem eine funktionelle Analyse des Darmmikrobioms im Modell der chronischen DSS-Kolitis in Balb/c-Mäusen durch. Ziel dieses Projekts ist es, die Interaktionen von Mikrobiom und mukosalem Immunsystem bei CED besser zu verstehen.


Projektleitung

Dr. Nadine Vollack-Hesse

Untersuchung der immunmodulatorischen Rolle des Arylhydrocarbon-Rezeptors (AhR) in vitro und in vivo im murinen Infektionsmodel

Im Rahmen dieses Projekts wurde in Kooperation mit dem Bundesinstitut für Risikobewertung (BfR) die immunmodulierende Wirkung des polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffs Benzo[a]pyren (BaP) charakterisiert. Während die kanzerogene Wirkung von BaP seit Jahrzehnten bekannt war, wurde der immunmodulierenden Wirkung von BaP, insbesondere von als unbedenklich eingestuften Konzentrationen, bisher nur wenig Beachtung geschenkt. Die immunmodulierenden Effekte wie auch der Abbau von BaP werden vorrangig über die Bindung und damit die Aktivierung des Arylhydrocarbon-Rezeptors (AhR) vermittelt. Um den Einfluss von BaP auf eine ablaufende Immunreaktion zu untersuchen, wird ein murines Salmonellen-Infektionsmodell verwendet. Die Erfoschung der zu Grunde liegenden Mechanismen erfolgt mittels geeigneter In-vitro-Modelle. Bisherige Untersuchungen beschränkten sich dabei hauptsächlich auf die Reifung und funktionelle Aktivierung von murinen Makrophagen. Durch Verwendung von AhR-defizienten Mäusen bzw. Zellen aus den Tieren kann die AhR-Abhängigkeit der nachgewiesenen Effekte demonstriert werden. Erste Ergebnisse in unserem Modell zeigten interessanterweise eine AhR-abhängige immunmodulierende Wirkung von BaP, die den Krankheitsverlauf positiv beeinflusste. In weiteren Experimenten sollen daher ausgewählte nicht-toxische AhR-Liganden auf ihr therapeutisches Potenzial in verschiedenen Krankheitsmodellen untersucht werden.


Projektleitung
Sina Riemschneider

Abgeschlossene Projekte:

  • Studie zur therapeutischen Wirksamkeit eines Immunmodulators auf Ionenbasis im Modell der chronischen DSS-Kolitis
  • Studie zur therapeutischen Wirksamkeit eines Transglutaminase-Inhibitors im Modell der akuten DSS-Kolitis
  • Entwicklung eines Kleintiermodells zur Vitalitätsbestimmung von humanen, kryokonservierten Fettgewebetransplantaten mittels moderner bildgebender Verfahren