Präklinische Modelle

Die AG Präklinische Modelle befasst sich mit der Planung und Durchführung von präklinischen Wirksamkeits- und Sicherheitsstudien für neue Arzneimittelkandidaten unter GLP- oder GLP-analogen Bedingungen. Dies schließt die Entwicklung, Etablierung und Validierung neuer In-vitro- und In-vivo-Modelle für entzündliche Erkrankungen und Tumorerkrankungen ein. Der Forschungsschwerpunkt liegt hier bei der Entwicklung und Optimierung humanisierter Mausmodelle für die Entwicklung bzw. Prüfung patientenspezifischer Therapien.

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 patientenspezifischen 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 (siehe Seite 21). 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 im Patienten 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.

Projektleiter
Dr. Jörg Lehmann

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 Patienten 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 Eigenforschungsprojektes die therapeutische Wirkung eines auf Salbeiblüten und Koloquintenfrüchten basierenden pflanzlichen Extraktes nachgewiesen werden. Im nächsten Schritt sollen nun die spezifischen Wirkstoffe des Extraktes 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-Patienten benötigte lebenslange Therapie so effektiv und erträglich wie möglich zu gestalten und damit die Lebensqualität der Patienten zu verbessern. 

Projektleiterin
Dr. Ulla Slanina

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 Patientenisolate (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.
 

Projektleiterin
Claudia Müller

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.

Projektleiterin
Dr. Ulla Slanina

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.

Projektleiterin
Sina Riemschneider

• 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

• Hilger N, Glaser J, Müller C, Halbich C, Müller A, Schwertassek U, Lehmann J, Ruschpler P, Lange F, Boldt A, Stahl L, Sack U, Oelkrug C, Emmrich F, Fricke S. Attenuation of graft-versus-host-disease in NOD scid IL-2Rγ(-/-) (NSG) mice by ex vivo modulation of human CD4(+) T cells. Cytometry A. 2016, 89(9), S. 803-815. Epub 2016 Aug 25. doi: 10.1002/cyto.a.22930.
  
• Diehl R, Ferrara F, Müller C, Dreyer AY, McLeod DD, Fricke S, Boltze J. Immunosuppression for in vivo research: state-of-the-art protocols and experimental approaches. Cellular and Molecular Immunology 2016, 13, S. 1–34. Epub 2016 Oct 10. doi: 10.1038/cmi.2016.39
  
• Su X, Tárnok A. Cytometry Advancement: A Perspective from China. Cytometry A. 2016, 89(12), S. 1049-1051 doi: 10.1002/cyto.a.23036
• Tárnok A. Set Them Free! Cytometry A. 2016, 89(11), S. 965-966. doi:10.1002/cyto.a.23020
• Tárnok A. Class struggle under the microscope. Cytometry A. 2016, 89(10), S. 879-880 doi:10.1002/cyto.a.23002
  
• Tárnok A. OMIPs start school. Cytometry A. 2016, 89(9), S. 795-796 doi: 10.1002/cyto.a.22976
• Riemschneider S, Herzberg M, Lehmann J. Subtoxic Doses of Cadmium Modulate Inflammatory Properties of Murine RAW 264.7 Macrophages. Biomed Res Int. 2015;2015:295303. Epub 2015 Aug 3. PMID: 26339604 doi: 10.1155/2015/295303. 
  
• Lehmann J, Härtig W, Seidel A, Füldner C, Hobohm C, Grosche J, Krueger M, Michalski D. Inflammatory cell recruitment after experimental thromboembolic stroke in rats. Neuroscience. 2014 Aug 26. pii: S0306-4522(14)00699-X. [Epub ahead of print] PMID: 25168731 doi: 10.1016/j.neuroscience.2014.08.023