Extrakorporale Immunmodulation

Die Fraunhofer-Projektgruppe Extrakorporale Immunmodulation (EXIM) am Standort Rostock widmet sich der Entwicklung neuer Diagnose- und Behandlungsverfahren im Bereich der extrakorporalen Organersatzsysteme. Schwerpunkte der Arbeiten liegen dabei auf innovativen Systemen zur Unterstützung des Immunsystems, auf Funktionsanalysen und Verbesserungen bestehender medizintechnischer Systeme, auf zellkulturbasierter In-vitro-Diagnostik und auf klinischen Studien.

Die Gruppe bietet den vollen Umfang präklinischer und klinischer Analysen extrakorporaler Technologien an, basierend auf einem weiten Spektrum an In-vitro-Simulationen und Tiermodellen sowie einem starken, klinischen Studiennetzwerk für stationär und ambulant zu behandelnde Patienten. Darüber hinaus bietet die Gruppe eine Vielzahl analytischer und diagnostischer Methoden einschließlich eines selbst entwickelten Zellsensors und unterschiedlicher molekularer Assays an. Über ein enges Netzwerk an Kooperationspartnern besteht zudem Zugang zu weiteren hochmodernen Technologien.

Die Projektgruppe wird gefördert durch:

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Zytokinadsorber

Sepsis, im Volksmund auch Blutvergiftung, ist eine komplexe systemische Entzündungsreaktion des Organismus. Ausgelöst wird diese meist durch Bakterien und deren Toxine, wenn diese in den Blutkreislauf gelangen. Dabei kommt es zu einer heftigen Abwehrreaktion des Immunsystems, die sich teils auch gegen den eigenen Körper richtet. Bei schweren Verläufen führt diese zu hoher Anfälligkeit für sekundäre Infektionen sowie Multiorganversagen. Die Häufigkeit von Sepsis und ihrer schweren Verlaufsformen nimmt weltweit stetig zu. Bei schweren Formen der Sepsis liegt die Letalität daher trotz aller modernen intensivmedizinischen Versorgungsmöglichkeiten auch heute noch bei mehr als 50 Prozent Dabei sind eine schnelle Diagnose und Einleitung einer effektiven antibiotischen Therapie, essentielle Faktoren, die über Leben und Tod entscheiden können. Um die Prognose der Patienten zu verbessern, können zudem verschiedene unterstützende Therapieansätze wie z. B. Nierenersatz- oder adsorptive Verfahren eingesetzt werden. Ein wichtiges adsorptives Verfahren ist die Hämoperfusion. Hierbei wird Patientenblut extrakorporal durch eine Kartusche geleitet, in der sich ein Adsorptionsmittel befindet. Die verschiedenen kommerziell erhältlichen Adsorber zielen entweder auf die Entfernung von Toxinen (Lipopolysaccharide) oder von Entzündungsmediatoren (Zytokine / Chemokine) ab, die während der Überreaktion des Immunsystems vermehrt ausgeschüttet werden. In Zusammenarbeit mit der CytoSorbents Europe GmbH wurde ein solcher Zytokinadsorber (CytoSorb) untersucht. CytoSorb-Adsorbersäulen sind in Europa als unterstützende extrakorporale Sepsis-Therapie zugelassen. Mit diesen Säulen sollen vorrangig während der initialen Abwehrreaktion pro- und anti-inflammatorische Botenstoffe aus dem Blut entfernt werden. Da die Adsorption jedoch nicht spezifisch erfolgt, wurde untersucht, ob und in welchem Ausmaß verschiedene intensivmedizinisch relevante Medikamente wie etwa Antibiotika und weitere Substanzen wie etwa Schmerz- und Beruhigungsmittel, Herzkreislaufmedikamente und Gerinnungshemmer, vom Adsorber zurückgehalten werden. In den In-vitro-Studien konnte unter anderem gezeigt werden, dass der untersuchte Adsorber in großem Maße Gerinnungshemmer (Rivaroxaban) aus dem Blut entfernt. Dieses Ergebnis ist von direkter klinischer Relevanz. Patienten, die den Gerinnungshemmer einnehmen und auf eine Notoperation angewiesen sind, können nicht operiert werden, bevor der Wirkstoff vollständig ausgeschieden ist. Dies kann jedoch bis zu acht Stunden dauern. Mit dem Adsorber könnte diese Wartezeit signifikant verkürzt und wertvolle Therapiezeit gewonnen werden. Weitere Untersuchungen zur Entfernung verschiedener interessanter Substanzklassen sollen 2018 folgen.

EXTHER – Extracorporeal therapy systems

Im Projektbereich EXTHER werden innovative Therapien, vor allem mit dem Ziel das Immunsystem zu unterstützen, entwickelt und getestet. Ausgehend von klassischen extrakorporalen Technologieplattformen wie Dialyse und Plasmaseparation werden neue Behandlungsansätze entwickelt. Ein besonderer Akzent liegt auf der Entwicklung extrakorporaler Blutbehandlungsverfahren zur Sepsistherapie und die Entwicklungen von Erweiterungssystemen für die Dialyse.

Entwicklung des Extracorporeal Immune Support System (EISS)

Weltweit erkranken jährlich über 18 Millionen Menschen an einer schweren Sepsis. Alleine in Deutschland sterben jedes Jahr bis zu 60.000 Menschen an dieser Krankheit. Aus diesem Grund hat die EXIM-Gruppe in Zusammenarbeit mit der Artcline GmbH ein Zell-Bioreaktorsystem entwickelt und evaluiert, mit welchem man die Sepsis durch Immunzellen (Granulozyten) gesunder Spender behandeln kann. Hierbei wird das Patientenplasma extrakorporal in einem Bioreaktor mit einem Granulozytenkonzentrat eines blutgruppenkompatiblen Spenders umspült. Bei diesem Prozess werden bakterielle Toxine und andere inflammatorisch wirksame Stoffe durch Phagozytose aus dem Blutplasma entfernt, so dass das gereinigte Patientenplasma anschließend zurück in den Kreislauf des Patienten geführt werden kann. Erste klinische Ergebnisse zeigen, dass es neben der Abreicherung von bakteriellen Bestandteilen auch zu einer deutlichen Verbesserung der zellulären Immunkompetenz der Patienten kommt. Zeitnah sollen weitere klinische Studien mit angepassten Parametern erfolgen.

Granulozyten-Aufreinigung

In diesem Projekt wird daran gearbeitet, die Aufreinigung von Granulozyten, die für das Extracorporeal Immune Support System benötigt werden, zu optimieren. Ein wesentliches Ziel hierbei ist die Verlängerung der Lagerungszeit unter den aktuellen Bedingungen der Transfusionsmedizin. Bisher sind Granulozytenkonzentrate nur max. 24 Stunden bei 20–24 °C lagerbar. Eine Steigerung der Haltbarkeit der Granulozytenkonzentrate würde die Flexibilität der durchzuführenden Therapien im Klinikalltag und die Spendenlogistik deutlich verbessern. Weiterhin können derzeit keine reinen Granulozytenkonzentrate hergestellt werden, da das Präparat bei der Apherese durch einen gewissen Eintrag von Erythrozyten und Thrombozyten kontaminiert wird. Daher ist ein weiteres Ziel in diesem Projekt, humane Blutpräparate so aufzubereiten, dass eine möglichst reine Granulozytenfraktion gewonnen werden kann, um diese optimal klinisch bzw. therapeutisch nutzen zu können.

EXSIM – Extracorporeal simulation & models

Der Projektbereich EXSIM konzentriert sich auf die Evaluierung therapeutischer und toxischer Effekte (Hepatotoxizität) von neuartigen Wirkstoffkomponenten mit Hilfe von In-vitro- und In-vivo-Modellen.

Biosensorik zur Vermeidung oder Früherkennung eines Leberversagens

Das Leberversagen ist mit einer hohen Sterblichkeitsrate verbunden und kann durch akute Lebererkrankungen oder durch die Verschlechterung einer bestehenden Lebererkrankung verursacht werden. Jedoch können auch Medikamente, wie z.B. Paracetamol ein akutes Leberversagen auslösen. Medikamentös bedingte Leberschäden sind die häufigste Ursache für die Rücknahme von bereits für den Markt zugelassenen Medikamenten. Jedoch gibt es derzeit kein zuverlässiges Testsystem zur Früherkennung eines Leberversagens. Aus diesem Grund wurde ein auf humanen Leberzellen basierenden Mikrotiterplattenassay entwickelt, der zur Früherkennung des Leberversagens in der Klinik und zur Evaluierung der Toxizität von Medikamenten- und Medizinprodukten verwendet werden kann. Durch die Optimierung und Standardisierung des Verfahrens können zuverlässige Aussagen bezüglich exogener, aber auch endogener Toxizität gemacht werden.

Tonmineralien bei der Behandlung von CKD und CED

Der Einsatz von Tonmineralien stellt einen innovativen Therapieansatz zur Behandlung von chronisch-entzündlichen Darmerkrankungen (CED) dar. Eine umfassende Charakterisierung der therapeutischen und prophylaktischen Potenziale der einzusetzenden Tonmineralien erfolgt derzeit mithilfe von zellbasierten Modellen und in tierexperimentellen Studien. Neben den positiven therapeutischen und prophylaktischen Effekten bei CED, konnte bereits belegt werden, dass die Tonmineralien kein Toxizitätspotenzial besitzen. Es wird angenommen, dass die eingesetzten Tonmineralien darmbarrierestärkende Effekte, wie antioxidatives Potenzial, sowie die Fähigkeit zur Bindung von Endotoxin besitzen und somit die Behandlung von CED unterstützen.

Eine weitere Einsatzmöglichkeit ist die Verwendung der Tonmineralien als Phosphatbinder bei Patienten mit chronischen Nierenerkrankungen (chronic kidney disease, CKD). Bei niereninsuffizienten Patienten kommt es häufig zu stark erhöhten Phosphatkonzentrationen im Blutserum, was zu kardiovaskulären Erkrankungen führen kann. Um dem entgegenzuwirken, wird in einem neuen Therapieansatz die Phosphatbindekapazität der Tonmineralien in Bezug auf die Prävention der kardiovaskulären Erkrankungen untersucht. Derzeit wird mithilfe eines In-vitro-Verkalkungsmodells humaner koronarer arterieller Muskelzellen (human coronary artery smooth muscle cells, HCASMC) und in tierexperimentellen Studien mit chronisch-niereninsuffizienter Ratten (5/6 Nephrektomie, 5/6 NX) das Therapiepotenzial analysiert.

ECOS – Study Center for Extracorporeal Methods and Biosimulations

Um die wissenschaftlichen Konzepte der Projektgruppe zügig in klinische Anwendungen zu überführen, wurde das Studienzentrum ECOS in die Gruppe integriert. Das Studienzentrum widmet sich zum einen der Umsetzung eigener wissenschaftlicher Konzepte und Entwicklungen in die Praxis und zum anderen führt es in enger Kooperation mit der Universitätsmedizin Rostock (UMR) sowie den Kliniken der Region präklinische und klinische Studien im Bereich der medizinischen Extrakorporaltherapien und -systeme für Partner aus der Industrie durch. Gegenstand der Forschung sind sowohl interventionelle als auch nicht-interventionelle Studien mit Arzneimitteln und Medizinprodukten. Dabei umfasst unsere Kompetenzkette alle Aspekte klinischer Prüfungen, von der Planung über Durchführung und Monitoring bis zur biometrischen Auswertung und Publikation. Ein weiterer Forschungsschwerpunkt liegt auf der Analyse der Verbreitung, Ursachen und Verläufe sowie Einflussfaktoren und Wechselwirkungen von Erkrankungen im Indikationsgebiet auf Basis von klinischen und repräsentativen Bevölkerungsdaten.

Gegenwärtig ist ECOS in eine multizentrische klinische Studie eingebunden, die die Wirksamkeit und Sicherheit des extrakorporalen Leberunterstützungssystems ELAD® (Extracorporeal Liver Assist Device) bei Patienten mit schwerer alkoholischen Hepatitis untersucht. In zwei weiteren Beobachtungsstudien wird die Effektivität des Einsatzes unterschiedlicher Adsorber bei der Albumindialyse bzw. zur Behandlung von Patienten mit schwerer Sepsis untersucht.

Die Hauptkompetenz der Fraunhofer-Projektgruppe in Rostock liegt im Bereich der Blutreinigung und Entgiftungstherapien.

Medizinprodukt-Entwicklung

  • In-vitro-Modelle für Extrakorporalverfahren (Organunterstützung außerhalb vom Patienten)
  • Verfahrensentwicklung (z.B. neue Methoden zur Leberersatztherapie)
  • Erstellung von Prototypen
  • Bioreaktorbau
  • Analysen Funktionsmuster (z.B. Testung von Dialysemembranen oder Adsorberkartuschen)

Diagnostische und therapeutische Zellkulturen

  • In-vitro-Toxizität nach ISO 10933-5 für Medizinprodukte
  • Analyse von Hepatoxizität (Medikamente, Medizinprodukte)
  • Biosensorik: Klinische Früherkennung des Leberversagens
  • Herstellung humaner Immunzellkonzentrate (Anreicherung von Granulozyten aus Vollblut)

Chemische Analytik (GCMS, LCMS)

  • Endotoxine
  • Lipophile Proteinliganden (vor allem Albumin-gebundene Giftstoffe)

Klinische Studien

  • Präklinische und klinische Studien mit größeren Patientengruppen
  • Studiendesign, -durchführung und -auswertung
  • Regulatorische Aspekte

Klinische Expertise

  • Nephrologie
  • Dialyse
  • Intensivmedizin
  • Sepsis

  • Albutec GmbH
  • ALLMED Medical GmbH
  • Analytic Jena AG
  • Artcline GmbH
  • BioArtProducts GmbH
  • CytoSorbents Europe GmbH
  • Ernst Moritz Arndt Universität Greifswald, Universitätsmedizin, Institut für Immunologie und Transfusionsmedizin
  • Fibron GmbH
  • FIM Biotech GmbH
  • Gambro Dialysatoren GmbH
  • Hochschule Furtwangen, Fakultät Medical and Life Sciences (MLS)
  • infomed – Blood purification devices
  • Leibniz-Institut für Plasmaforschung und Technologie e.V. (INP Greifswald)
  • PRIMACYT Cell Culture Technology GmbH
  • Serumwerk Bernburg AG
  • Universität Rostock, Medizinische Fakultät, Institut für Transfusionsmedizin
  • Universitätsklinikum Rostock AöR, Zentrum für Innere Medizin, Klinik II, Abteilung für Gastroenterologie
  • Universitätsklinikum Rostock AöR, Zentrum für Innere Medizin, Klinik II, Abteilung für Nephrologie
  • Vital Therapies, Inc.

Publikationen

  • Ehler J, Koball S, Sauer M, Mitzner S, Hickstein H, Benecke R, Zettl UK. Response to Therapeutic Plasma Exchange as a Rescue Treatment in Clinically Isolated Syndromes and Acute Worsening of Multiple Sclerosis: A Retrospective Analysis of 90 Patients. Plos One 2015 Aug 5;10(8):e0134583. DOI dx.doi.org/10.1371/journal.pone.0134583. eCollection 2015
  • Maruschke M, Riebold D, Holtfreter MC, Sombetzki M, Mitzner S, Loebermann M, Reisinger EC, Hakenberg OW. Pneumocystis pneumonia (PCP) and Pneumocystis jirovecii carriage in renal transplantation patients: a single-centre experience. Wien Klin Wochenschr. 2014 Dec;126(23-24):762-6.
  • Frimmel S, Schipper J, Henschel J, Yu TT, Mitzner SR, Koball S. First description of single-pass albumin dialysis combined with cytokine adsorption in fulminant liver failure and hemophagocytic syndrome resulting from generalized herpes simplex virus 1 infection. Liver Transpl. 2014 Dec;20(12):1523-4.
  • Klammt S, Mitzner SR, Reisinger EC, Stange J. No sustained impact of intermittent extracorporeal liver support on thrombocyte time course in a randomized controlled albumin dialysis trial. Ther Apher Dial. 2014 Oct;18(5):502-8.
  • Mencke T, Jacobs RM, Machmueller S, Sauer M, Heidecke C, Kallert A, Pau HW, Noeldge-Schomburg G, Ovari A. Intubating conditions and side effects of propofol, remifentanil and sevoflurane compared with propofol, remifentanil and rocuronium: a randomised, prospective, clinical trial. BMC Anesthesiology 2014; DOI dx.doi.org/10.1186/1471-2253-14-39.
  • Ehler J, Koball S, Sauer M, Hickstein H, Mitzner S, Benecke R, Zettl UK. Therapeutic plasma exchange in glucocorticosteroid-unresponsive patients with Clinically Isolated Syndrome. Therapeutic Apheresis and Dialysis. 2014 Oct;18(5):489-96.DOI dx.doi.org/10.1111/1744-9987.12176
  • Frimmel S, Schipper J, Henschel J, Yu TT, Mitzner SR, Koball S. First description of single-pass albumin dialysis combined with cytokine adsorption in fulminant liver failure and hemophagocytic syndrome resulting from generalized herpes simplex virus 1 infection. Liver Transplantation. 2014 Dec;20(12):1523-4. DOI dx.doi.org/10.1002/lt.24005
  • Klammt S, Mitzner SR, Reisinger EC, Stange J. No sustained impact of intermittent extracorporeal liver support on thrombocyte time course in a randomized controlled albumin dialysis trial. Therapeutic Apheresis and Dialysis. 2014 Oct;18(5):502-8. DOI dx.doi.org/10.1111/1744-9987.12124
  • Breitrück A, Sparmann G, Mitzner S, Kerkhoff C. Establishment of a novel extracorporeal bowel model to study luminal approaches to treat inflammatory bowel disease. Dis Model Mech. 2013; 6:1487-1493. DOI dx.doi.org/10.1242/dmm.011734
  • Bañares R, Nevens F, Stolze Larsen F, Jalan R, Albillos A, Dollinger M, Saliba F, Sauerbruch T, Klammt S, Ockenga J, Pares A, Wendon J, Brünnler T, Kramer L, Mathurin P, Mata MD, Gasbarrini A, Müllhaupt B, Wilmer A, Laleman W, Eefsen M, Sen S, Zipprich A, Tenorio T, Pavesi M, Schmidt HH, Mitzner S, Williams R, Arroyo V. Extracorporeal albumin dialysis with the molecular adsorbent recirculating system in acute-on-chronic liver failure: The RELIEF trial. Hepatology 57 (2013)3: 1153-1162. DOI dx.doi.org/10.1002/hep.26185
  • Mitzner S, Gloger M, Henschel J, Koball S. Improvement of hemodynamic and inflammatory parameters by combined hemoadsorption and hemodiafiltration in septic shock: A case report. Blood purification 35 (2013) 4: 314-315. DOI dx.doi.org/10.1159/000351206
  • Sauer M, Altrichter J, Mencke T, Klöhr S, Thomsen M, Kreutzer HJ, Nöldge-Schomburg G, Mitzner S. Role of different replacement fluids during extracorporeal treatment in a pig model of sepsis. Ther Apher Dial. 17 (2013) 1:84-92. DOI dx.doi.org/10.1111/j.1744-9987.2012.01103.x
  • Mitzner S. Stellenwert der MARS®-Dialyse beim Acute-on-chronic-Leberversagen: Role of MARS® dialysis in acute-on-chronic liver failure. Z Gastroenterol. 51 (2013) 10: 1193-1194. DOI dx.doi.org/10.1055/s-0033-1350351
  • Averill MM, Kerkhoff C, Bornfeldt KE. S100A8 and S100A9 in cardiovascular biology and disease. Arterioscler Thromb Vasc Biol. 32 (2012), 2, S. 223-9. DOI dx.doi.org/10.1161/ATVBAHA.111.236927.
  • Kerkhoff C, Voss A, Scholzen TE, Averill MM, Zänker KS, Bornfeldt KE. Novel insights into the role of S100A8/A9 in skin biology. Exp Dermatol. 21 (2012), 11, S. 822 - 6. DOI dx.doi.org/10.1111/j.1600-0625.2012.01571.x.
  • Kielstein JT, Beutel G, Fleig S, Steinhoff J, Meyer TN, Hafer C, Kuhlmann U, Bramstedt J, Panzer U, Vischedyk M, Busch V, Ries W, Mitzner S, Mees S, Stracke S, Nürnberger J, Gerke P, Wiesner M, Sucke B, Abu-Tair M, Kribben A, Klause N, Schindler R, Merkel F, Schnatter S, Dorresteijn EM, Samuelsson O, Brunkhorst R; Collaborators of the DGfN STEC-HUS registry. Best supportive care and therapeutic plasma exchange with or without eculizumab in Shiga-toxin-producing E. coli O104:H4 induced haemolytic-uraemic syndrome: an analysis of the German STEC-HUS registry. Nephrol Dial Transplant. 27 (2012), 10, S. 3807-15. DOI dx.doi.org/10.1093/ndt/gfs394.
  • Klammt S, Wojak HJ, Mitzner A, Koball S, Rychly J, Reisinger EC, Mitzner S. Albumin-binding capacity (ABiC) is reduced in patients with chronic kidney disease along with an accumulation of protein-bound uraemic toxins. Nephrol Dial Transplant. 27 (2012), 6, S. 2377-83. DOI dx.doi.org/10.1093/ndt/gfr616.
  • Klionsky DJ and 1269 others. Guidelines for the use and interpretation of assays for monitoring autophagy. Autophagy. 8 (2012), 4, S. 445 - 544. DOI dx.doi.org/10.4161/auto.19496.
  • Maletzki C, Bodammer P, Breitrück A, Kerkhoff C. S100 proteins as diagnostic and prognostic markers in colorectal and hepatocellular carcinoma. Hepat Mon. 2012, 12 (10 HCC):e7240. DOI dx.doi.org/10.5812/hepatmon.7240.
  • Sauer M, Altrichter J, Mencke T, Klöhr S, Thomsen M, Kreutzer HJ, Nöldge-Schomburg G, Mitzner SR. Plasma separation by centrifugation and subsequent plasma filtration: impact on survival in a pig model of sepsis. Ther Apher Dial. 16 (2012), 3, S. 205-12. DOI dx.doi.org/10.1111/j.1744-9987.2011.01055.x.
  • Sauer M, Haubner C, Mencke T, Nöldge-Schomburg G, Mitzner S, Altrichter J, Stange J. Impaired cell functions of hepatocytes incubated with plasma of septic patients. Inflamm Res. 61 (2012), 6, S. 609-16. DOI dx.doi.org/10.1007/s00011-012-0451-9.
  • Voss A, Bode G, Kerkhoff C. Double-stranded RNA induces IL-8 and MCP-1 gene expression via TLR3 in HaCaT-keratinocytes. Inflamm Allergy Drug Targets. 11 (2012), 5, S. 397-405.
  • Voss A, Gescher K, Hensel A, Nacken W, Zänker KS, Kerkhoff C. Double-stranded RNA induces S100 gene expression by a cycloheximide-sensitive factor. FEBS Lett. 586 (2012), 2, S. 196-203. DOI dx.doi.org/10.1016/j.febslet.2011.12.022
  • Kohl M, Koch S, Keller M, Deigner HP. Biochips: Bright Future in Clinical Dx? J Biochip Tissue chip 2011, S1. DOI dx.doi.org/10.4172/2153-0777.S1-e003

Patente

  • Altrichter, J, Mitzner, S, Lübcke A, Selleng K, Doss F, Koch S. Verfahren zum Herstellen einer Leukozytenpräparation und Leukozytenpräparation. METHOD FOR PRODUCING A LEUKOCYTE PREPARATION, AND LEUKOCYTE PREPARATION. DE 102012209673 A1: 20120608
  • Mitzner S, Kerkhoff C, Bodammer P, Breitrück A, Krüger G. Mineralische Verbindung zur Reduzierung von anorganischen Phosphaten, insbesondere im Rahmen einer Nierenersatztherapie. CLAY MINERAL FOR REDUCING INORGANIC PHOSPHATES, IN PARTICULAR IN RENAL REPLACEMENT THERAPY. DE 102012209411 A1: 20120604
  • Mitzner S, Kerkhoff C, Emmrich F, Breitrueck A, Bodammer P, Krueger G, Dallwig R. Mineralische Verbindung und deren Modifikationen zur Anwendung bei chronisch-entzündlichen Darmerkrankungen. CLAY MINERAL AND ITS MODIFICATIONS FOR USE IN THE TREATMENT OF CHRONIC INFLAMMATORY BOWEL DISEASES. DE 102012207471 A1: 20120504