Toxikologie und Immuntoxikologie

Projekte

Neue Strategien im Kampf gegen die Volkskrankheit Parodontitis

Parodontitis ist eine entzündliche Erkrankung des Zahnhalteapparats, die zu einer Zerstörung von Gewebe und Knochen um die Zähne herum führen kann. Die Erkrankung wird durch Bakterien verursacht, die sich in Zahnbelägen und Zahnfleischtaschen ansiedeln und eine Entzündungsreaktion auslösen. Unbehandelt führt dies zur Schädigung des gesamten Zahnhalteapparates bis hin zum Zahnausfall. Verschiedene Studien zeigen zudem einen direkten Zusammenhang zwischen Parodontitis und anderen Erkrankungen wie Herz-Kreislauferkrankungen und Diabetes sowie einem erhöhten Schlaganfallrisiko.

Grundlage des neuartigen Behandlungskonzeptes ist die Hemmung eines Enzyms, das nahezu ausschließlich in den Paradontitis-verursachenden Bakterien vorkommt und dort die Produktion verschiedener Virulenzfaktoren reguliert. Durch deren selektive Hemmung können gezielt die pathogenen Keime zurückgedrängt und das natürliche Mikrobiom erhalten werden. Der Einsatz klassischer Antibiotika hingegen führt zu einer Wachstumshemmung aller oralen Keime, was das Risiko einer raschen und stärkeren Wiederbesiedlung durch die Krankheitserreger birgt.

Ziel des Projektes ist die Prüfung entsprechender Wirkstoffkandidaten auf deren Wirksamkeit und Sicherheit, um damit die Voraussetzung für eine klinische Studie zur erstmaligen Testung im Menschen zu schaffen. Die Verbundpartner werden verschiedene regulatorisch relevante Aspekte adressieren und unter anderem Resistenzbildung, Materialverträglichkeit sowie Toxizität und Unbedenklichkeit untersuchen.

Im Rahmen einer GLP-Studie werden am Fraunhofer IZI Toxizität und Unbedenklichkeit sowohl in vitro, wie auch im Tiermodell untersucht.

Die Entwicklung und Validierung bioanalytischer Methoden zur umfassenden Charakterisierung der Wirkstoffkandidaten erfolgt an der Außenstelle Molekulare Wirkstoffbiochemie und Therapieentwicklung des Fraunhofer IZI.

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Entwicklung einer Fertigungsplattform für die 3D-Druck-Herstellung resorbierbarer Implantante zur vollständigen Regeneration von Sehnen und Bändern (Liga-Forte)

Aufgrund einer alternden Bevölkerung sowie der allgemein verstärkten Ausübung körperlicher Aktivitäten vieler Menschen gehören Sehnen- und Bandverletzungen zu den häufigsten Verletzungen in Deutschland und weltweit, mit hohen Kosten für das Gesundheitssystem. In der Regel ist ein chirurgischer Eingriff erforderlich und nach der Operation eine lange Erholungsphase, in der die Bewegung und damit die Lebensqualität von Patient*innen stark beeinträchtigt ist.

Da Sehnen und Bänder nur über ein geringes Regenerationspotenzial verfügen, gibt es derzeit nur wenige Rekonstruktionsmöglichkeiten. Sie beschränken sich auf Autotransplantationen und die Verwendung nicht resorbierbarer Fixationsmaterialien. Bei der Autotransplantation, der Übertragung eines Teils des Bandes von einer gesunden Stelle auf die Defektstelle, kann es jedoch zu Komplikationen an der Spenderstelle kommen. Die Verwendung nicht-resorbierbarer Materialien hingegen führt langfristig häufig zu Infektionen.

Im Rahmen des Projekts »Entwicklung einer additiven Fertigungsplattform für resorbierbare Scaffolds mittels 3D-Druck in Kombination mit Platelet-rich-Plasma zur Sehnen-/Bandrekonstruktion (Liga-Forte)« sollen Erkenntnisse auf dem Gebiet der regenerativen Medizin genutzt werden, um eine bessere Therapie für die Rekonstruktion solcher Verletzungen zu entwickeln. Das Projektteam plant, das weltweit erste resorbierbare Implantat für die vollständige Regeneration von Sehnen und Bändern zu entwickeln. Die Scaffolds (Implantate) werden dafür intraoperativ mit autologem thrombozytenreichem Plasma gemischt, um die Regeneration von nativem Gewebe zu ermöglichen. Parallel dazu wird ein Fertigungsprozess etabliert, der die Herstellung von nicht-planaren Ligament-Gerüsten ermöglichen wird. Weiterhin wollen die Projektpartner chirurgische Techniken zur Fixierung der Scaffolds entwickeln und eine biomechanische Bewertung derselben an verschiedenen Sehnen und Bändern des Hinterbeins des Schafs durchführen.

Das von der Sächsischen Aufbaubank geförderte Projekt wird von der BellaSeno GmbH geleitet. Am Fraunhofer IZI wird die erste grundlegende Wirksamkeitsstudie in einem Schafsmodell durchgeführt, um die Machbarkeit dieses neuen regenerativen Ansatzes zu evaluieren.

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

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. Das Projekt NANOpain beruht auf einer Kombination aus einem bereits zugelassenen Opioid (vorzugsweise kappa-Rezeptor-Agonisten) und eines dendritischen Nanotransport­moleküls (Nanocarrier). Nach dem EPR-Effekt (»enhanced permeability and retention effect«) lagern sich die dendritischen Moleküle bevorzugt im entzündeten und tumorösen Gewebe an, sodass eine gezielte Lokalisation und eine Verringerung von Neben­wirkungen wie Sucht, Aversion und Verstopfung erreicht werden können. Die Wirksamkeit wurde bereits seitens der DendroPharm GmbH sowohl in vitro als auch in vivo getestet. Am Fraunhofer IZI werden die sicherheits­relevanten präklinischen Untersuchungen in entsprechenden Tiermodellen (Kleintier­modell, Großtiermodell) unter GLP-Bedingungen durchgeführt. Zunächst erfolgt eine Pharmako­dynamik / Pharmakokinetik­studie in Ratten, um den Abbau des Wirk­stoffs in Abhängigkeit der Zeit zu untersuchen. Die Analysen werden dabei von der GLP-Prüfeinrichtung am Standort Halle (Saale) durchgeführt. Die toxikologischen Überprüfungen des Wirkstoffpräparats werden anschließend sowohl in einem Mausmodell als auch in einem Minischweinmodell umgesetzt. Zusammen mit der Herstellung des Prüf­präparats unter GMP-Bedingungen durch die DendroPharm GmbH wird so die Voraus­setzung geschaffen, um das entwickelte Arzneimittel anschließend am Fraunhofer-Institut für Toxikologie und Experimentelle Medizin ITEM in einer klinischen Phase-I-Studie zu untersuchen. Das Medikament wird dazu bei aufsteigender Einzel- und Mehrfachgabe auf Sicherheit und Verträglichkeit an gesunden Proband*innen überprüft.

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

Im Rahmen eines SAB-geförderten Projekts wird eine präklinische Sicherheitsstudie im Kleintiermodell der NSG-Maus durchgeführt, um die Unbedenklichkeit eines Zelltransplantats zur Behandlung von Knorpeldefekten zu überprüfen. Bei dem Prüfgegenstand handelt es sich um in einem GMP-Prozess expandierte mesenchymale Stromazellen aus Nabelschnurgewebe in Kombination mit einer Kollagenmatrix. Die Sicherheitsstudien umfassen Untersuchungen, zur Biodistribution mittels PCR-Analysen und zur Tumorigenität mittels immunhistologischen Methoden.

Somit werden im Rahmen des Vorhabens die wesentlichen Voraussetzungen für die nachfolgende nationale Genehmigung sowie weitere klinische Prüfungen des Zelltherapeutikums geschaffen.

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GLP-Studie zur Beurteilung der systemischen Toxizität und der Immuntoxizität einer therapeutischen HBV-Vakzine (TherVacB)

In zwei präklinischen Studienarmen wird zum einen die systemische Toxizität der therapeutischen Vakzine sowie die Immuntoxizität im relevanten Krankheitsmodell in der Maus beurteilt. Somit sollen mögliche toxische Nebenwirkungen der einzelnen Impfkomponenten (HBV-Peptide, Adjuvantien, MVA-Vektor) bei wiederholter maximaler Dosis in einem festgelegten Impfschema mittels histopathologischen, hämatologischen und klinisch-chemischen Analysen untersucht werden. Im relevanten murinen Krankheitsmodell, welches die Situation einer chronischen Hepatitis imitiert, sollen zum einen immuntoxische Wirkungen beurteilt und zum anderen die Wirksamkeit der Vakzine bestätigt werden.

BioBreast – Präklinische Sicherheitsprüfungen eines neuartigen Brustimplantats

Testung einer miniaturisierten Version des Brustimplantats im Zytotoxizitätsassay in vitro
Mikroplastische 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 Abteilung 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.

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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