Blut-Hirn-Schranken-Modelle für die Pharmakologie - von Primärzellen zu hiPS-Krankheitsmodellen - Karin Danz, Abteilung Bioprozesse & Bioanalytik ...
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Blut-Hirn-Schranken-Modelle für die Pharmakologie –
von Primärzellen zu hiPS-Krankheitsmodellen
Karin Danz, Abteilung Bioprozesse & Bioanalytik
karin.danz@ibmt.fraunhofer.de
© Fraunhofer
Fraunhofer IBMT – Daten und Fakten 4 Abteilungen Fraunhofer-Projektzentrum für Stammzellprozesstechnik ca. 160 Mitarbeiter 16,9 Mio € IBMT-Gesamthaushalt (2018) Gründungsmitglied des Fraunhofer-Verbunds Life Sciences (VLS) Fraunhofer-Bioarchiv Gemeinschaft Deutscher Kryobanken (GDK) © Fraunhofer
Medizinische Biotechnologie am IBMT
Zellmodelle und Toxikologie Substrattechnologie
Kultivierungstechniken und (Stamm-) Chemische und physikalische
Zell-basierte Modellsysteme Modifizierung von Biomaterialien
Nicht-invasive analytische Methoden Bioprinting und Entwicklung von
und humanes Biomonitoring Biotinte
Nanopartikeldesign und –targeting Stimulus-responsive
Zyto- und Nanotoxikologie Biopolymeroberflächen
Medical
Kryotechnologie Prozessautomatisierung
Zell- und Gewebe-spezifische Hochdurchsatzverfahren für
Protokolle zur Kryokonservierung Zellexpansion und -lagerung
Eis-freie Kryokonservierung Automatisiertes Biobanking
Zelluläre Mikroskopie und Prozessoptimierung und
Spektroskopie -beschleunigung
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Zellkulturmodelle am IBMT
Blut-Hirn-Schranken-Modell
Lungenmodell CellZscope®
VITROCELL® System (air-
liquid Interface)
Modell der intestinalen Barriere Krankheitsspezifische Modelle
Ussing Kammer ® z.B. Morbus Alzheimer, Morbus Parkinson
(liquid-liquid Interface)
Vaskularisiertes Tumor-Modell
Mukusbarriere-Modell
Microkavitäts-Chip mit Ex-
vivo-Mukus In-vitro- & Ex-vivo-Modelle
Zelllinien, Primärzellen, Stammzellen,
Hautmodell Reporterzelllinien, Co-Kultur-Modelle, 3D-
Franz Zell® System Modelle, Mikrofluidische Modellsysteme, …
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Blut-Hirn-Schranke und Pharmazeutika
Hoch-selektive Barriere
Pharmazeutika können nicht durch Zellzwischenräume
ins Gehirn gelangen
Zelluläre Aufnahme stark abhängig von spezifischen
physiko-chemischen Eigenschaften
Nach Aufnahme in Endothelzellen wird Großteil durch
hohe Konzentration von Effluxtransportern zurück ins
Blut abgegeben
In-v itro-Modelle m it zuv erläs s igen prädiktiv en
Eigens chaften in der pharm azeutis chen
Entw icklung v on es s entieller Bedeutung
Erstellt mit BioRender.com
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Blut-Hirn-Schranken-Modelle – „state of the art“
Modells y s tem Prim ärzellm odelle Gehirnkapillarendothelzellen Modelle m it integrierter
differenziert aus hum anen Fluidik
induzierten pluripotenten
S tam m zellen
Verfügbarkeit Abhängig von Primärmaterial Reproduzierbare Protokolle Mikrofluidische und Chip-basierte
tierischen Ursprungs veröffentlicht Plattformen publiziert, noch
keine Verfügbarkeit im
Hochdurchsatz-Bereich
TEER-Werte > 300 Ω cm2 > 600 Ω cm2 Integrierte Lösungen noch in der
Entwicklung
Charakterisierung • tight junction–Proteine • tight junction–Proteine Abhängig von verwendeten
• Permeabilität gegenüber • Permeabilität gegenüber Zellen, analog zu nicht-
Markersubstanzen Markersubstanzen fluidischen Modellen
• Genexpressionsanalysen
Vorbereitungszeit 5 – 7 Tage 12 – 14 Tage Abhängig von verwendeten
Zellen, 5 – 14 Tage
Weitere Faktoren Nicht humanen Ursprungs • Humaner Ursprung Signifikante Weiterentwicklung
Limitierte Vorhersagekraft • Etablierung vor breiter Einsetzbarkeit
krankheitsspezifischer notwendig
Modelle möglich
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Blut-Hirn-Schranken-Modelle am IBMT © Fraunhofer 7
Vergleich von Primärzell-Modell und hiPS-basierter BHS
hiPS-basierte Zellen (hiPS-BCEC)
zeigen höhere TEER-Werte als
porzine Primärzellen (pBCEC)
Relevante tight junction-Marker in
beiden Zellen exprimiert
Permeabilität gegenüber
Markersubstanz Natriumfluoreszein
vergleichbar gering
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Weiterentwicklung zur Verbesserung der Modelleigenschaften
Wichtiger Faktor bei der Aufnahme von
Pharmazeutika und anderen Substanzen an
der Blut-Hirn-Schranke: Interaktion mit
Plasmaproteinen
In-vivo-Situation: Plasmaproteine selektiv
und spezifisch in geringen Mengen über die
Blut-Hirn-Schranke transportiert
In-vitro-Modelle: Serum in der
Modellentwicklung entweder auf beiden
Seiten der Barriere zu finden, oder
Kultivierung erfolgt komplett Serum-frei
Annäherung an In-vivo-Situation: Einsatz von
Serum selektiv nur auf einer Seite der Created with BioRender.com
Barriere
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Einfluss der Serumverteilung auf die Barriereeigenschaften – TEER-Wert
TEER-Werte sind in beiden Modellen mit In-vivo-ähnlicher Serumverteilung verbessert
pBCEC hiPS-BCEC
Publication submitted
© Fraunhofer 10Einfluss der Serumverteilung auf die Barriereeigenschaften – Permeabilität
Permeabilität gegenüber
pBCEC hiPS-BCEC
Markersubstanz wird gesenkt
Entspricht physiologischer
Situation
Modellsysteme können durch
selektiven Serumeinsatz
verbessert werden und
spiegeln die In-vivo-Situation
besser wieder
Publication submitted
© Fraunhofer 11Krankheitsmodelle aus hiPS-Zellen
800
700
600
TEER [Ω*cm²]
500
Durch hiPS-Zellen ist Entwicklung 400
krankheitsspezifischer Modelle möglich 300
200
Breite Einsatzmöglichkeiten in der 100
Erforschung krankheitsspezifischer 0
Prozesse und deren Einfluss auf 0 10 20 30 40 50 60 70
cultivation time [h]
Aufnahme und Transport von
healthy hiPS-derived BCECs PD patient hiPS-derived BCECs
pharmakologischen Stoffen
1,00E-04
Permeability coefficient
1,00E-05
[cm*s-1]
hiPS -bas ierte Modells y s tem e s etzen s ich
durch als Mittel der Wahl 1,00E-06
1,00E-07
control cells
Unpublished data
© Fraunhofer 12Einsetzbarkeit der Modelle in pharmakologischen Studien
hiPS-basierte Blut-Hirn-Schranken-Modelle besonders gut einsetzbar für
Hochdurchsatzversuche
Für Entwicklung krankheitsspezifischer Therapeutika Einsatz
entsprechender krankheitsspezifischer Modelle im Vergleich zu
gesunden Vergleichsmodellen nutzbar
Durch humanen Zellursprung und In-vivo-ähnlichen Einsatz der Serum-
Verfügbarkeit sind prädiktive Eigenschaften gegenüber Modellen
tierischen Ursprungs zu erwarten
Etablierung der Modelle und Durchführung von Studien unter GLP Kategorie 9: Biologische
notwendigen Qualitätskriterien (ISO, GLP) gut umsetzbar und mikrobiologische
Sicherheitsprüfungen an
Medizinprodukten, Arzneimitteln
und Zelltherapeutika
© Fraunhofer 13Danksagung Förderung
Kollegen am Fraunhofer IBMT Bundesministerium für Wirtschaft und
Energie
Programm ZIM: Projekt NanoDopa
Partner von
Universität des Saarlandes
Eberhard-Karls-Universität Tübingen
Instituto de Salud Carlos III
EU-Kommission
Programm FET-OPEN (Horizon 2020)
© Fraunhofer 14Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
Karin Danz, Abteilung Bioprozesse & Bioanalytik
karin.danz@ibmt.fraunhofer.de
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