Mikroskopaufnahme: Stromazellen bilden eine eigene Matrix

18.03.2020

Aus der Hüfte: 3D-in-vitro-Modelle für muskuloskeletale Erkrankungen

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Annemarie und Timo Gaber: Die Arbeitsgruppe um Prof. Frank Buttgereit arbeitet seit geraumer Zeit an der Entwicklung komplexer 3D-Modelle zum Simulation muskuloskeletaler und rheumatischer Erkrankungen. Sie verfügt über zwei Bioreaktoren der Firma OSPIN GmbH die eine automatisierte Kultivierung der 3D Modelle ermöglichen.
Annemarie und Timo Gaber: Die Arbeitsgruppe um Prof. Frank Buttgereit arbeitet seit geraumer Zeit an der Entwicklung komplexer 3D-Modelle zum Simulation muskuloskeletaler und rheumatischer Erkrankungen. Sie verfügt über zwei Bioreaktoren der Firma OSPIN GmbH die eine automatisierte Kultivierung der 3D Modelle ermöglichen.
Die Herstellung von komplexen 3D-Modellen erfordert die Anzüchtung einer größeren Menge an mesenchymalen Stromazellen. Moritz Pfeiffenberger, Doktorand in der AG Buttgereit, beim Mediumwechsel.
Die Herstellung von komplexen 3D-Modellen erfordert die Anzüchtung einer größeren Menge an mesenchymalen Stromazellen. Moritz Pfeiffenberger, Doktorand in der AG Buttgereit, beim Mediumwechsel.
Alexandra Damerau, Doktorandin in der AG Buttgereit bei der Analyse entsprechender Bilder.
Ein Großteil der Analysen erfolgt mittels Histologie, um die Zusammensetzung der gebildeten Matrix und Zellmorphologien zu untersuchen. Alexandra Damerau, Doktorandin in der AG Buttgereit bei der Analyse entsprechender Bilder.
Mikroskopaufnahme: Stromazellen bilden eine eigene Matrix
Um in vitro Knochenmodelle zu generieren, wird ein spezielles Trägermaterial mit mesenchymalen Stromzellen besiedelt und mit Differenzierungsmedium kultiviert. Die Stromazellen bleiben am Trägermaterial haften und bilden eine eigene Matrix.
Mikroskopaufnahme: Stromazellen bleiben am Trägermaterial haften
Die Stromazellen bleiben am Trägermaterial haften.
Mikroskopaufnahme: die simulierte Synovialmembran besteht aus einem dichten Layer mesenchymaler Stromzellen
Die simulierte Synovialmembran besteht aus einem dichten Layer mesenchymaler Stromzellen.

Neue Therapien gegen Rheuma, Arthrose und Knochenkrankheiten finden: Dieses Ziel wollen Forscher der Charité-Universitätsmedizin jetzt mit dreidimensionalen in-vitro-Modellen erreichen. Perspektivisch könnte dadurch auch die Zahl der Tierversuche reduziert werden.

Tierfreie Methoden in der Erforschung muskuloskeletaler Erkrankungen? Dies könnte in einigen Jahren möglich sein. Den Beweis tritt gerade die Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Frank Buttgereit von der Klinik für Rheumatologie und klinische Immunologie der Charité mit vier neuen 3D-in-vitro Modellen an. Hergestellt aus menschlichen Zellen sollen die neuen Gewebe zur Erforschung neuer Behandlungsstrategien gegen muskuloskeletale Erkrankungen dienen. Dazu gehören die Rheumatoide Arthritis, Arthrose, Osteoporose sowie Frakturheilungsstörungen. Gefördert werden die Vorhaben vom Bundesforschungsministerium (BMBF), aber auch der Elsbeth Bonhoff Stiftung, der Wolfgang Schulze Stiftung und der Industrie. Die Aussichten sind vielversprechend.

„Wir versprechen uns von der Nutzung unserer Modelle eine größere Aussagekraft für den Patienten, da die Ergebnisse aus Tierversuchen teilweise nur begrenzt übertragbar sind“, erzählt Dr. Annemarie Lang, Postdoktorandin in der Gruppe von Prof. Dr. Frank Buttgereit. „Außerdem wollen wir mit den humanen Modellen die Anzahl an Tierversuchen reduzieren, die in der Forschung – auch aus Mangel an geeigneten Alternativen – immer noch üblich sind.“ Man müsse aber auch hinzufügen, dass Tierversuche ein wichtiger Bestandteil seien, um neue Erkenntnisse zu gewinnen und neue Therapien zu testen, so Lang weiter. „Folglich werden sie auch in Zukunft nicht ganz wegzudenken sein“.

Vom Hüftknochen zum humanen Versuchsmodell
Das Ausgangsmaterial für die neuen potenziellen Alternativen - 3D-in-vitro-Modelle - stammt von Patienten, denen im Rahmen einer Hüftgelenks-Operation Knochenmark entnommen wurde. Es dient als Quelle für die verwendeten Zellen. Im Labor werden aus dem Knochenmark zunächst mesenchymale Stromazellen isoliert. Diese multipotenten Zellen haben den Vorteil, dass sie verschiedene Gewebe bilden können, wie zum Beispiel Knochen und Knorpel. Zur Herstellung der verwendeten Modelle werden Zellverbünde mittels Zentrifugation und biomechanischer Belastung kondensiert und in einen dreidimensionalen Zustand überführt. So entstehen kleine, qualitativ reproduzierbare Konstrukte, deren Durchmesser im Milli- bis Zentimeter-Bereich rangiert. Je nach Modell können knorpel- bzw. knochenähnliche Konstrukte durch den Zusatz verschiedener Differenzierungsfaktoren produziert werden. Für die finalen 3D-Modelle werden die einzelnen Komponenten kombiniert und gegebenenfalls um verschiedene Immunzellen, Enzyme und weitere Komponenten ergänzt. „Ziel ist es, die jeweilige Erkrankung so komplex wie möglich im 3D-Modell abzubilden“, betont Lang.

Mit mathematischen Modellen Arthrose simuliert
Das Arthrose-Modell wurde zum Beispiel aus selbstgezüchtetem in vitro-Gelenkknorpel „gebaut“ und soll spezifische Aspekte der Volkskrankheit Arthrose widerspiegeln. Und diese entsteht nicht nur durch Verschleiß, wie man lange Zeit dachte, sondern auch durch Entzündungen auf molekularer Ebene. Das heißt, bestimmte körpereigene Immunstimulanzien wie etwa Zytokine tragen maßgeblich zum Abbau des Knorpels bei. Darum haben die Forscher gemeinsam mit Mathematikern vom Zuse-Institut Berlin ein mathematisches Modell entwickelt, das simuliert was passiert, wenn auf den selbst gezüchteten Knorpel Zytokine gegeben werden: Es entsteht eine Arthrose. „Nun wollen wir die ersten möglichen Therapien am realen Arthrose-Modell testen“, so Tierärztin Lang.

Für das „virtuelle Gelenk“ haben Dr. Annemarie Lang und Dr. Reinald Ehrig (Charité und Zuse-Institut) im Dezember 2019 den Forschungspreis für Tierversuchsalternativen des Landes Berlin erhalten. Damit ging der Preis schon zum dritten Mal an Forscher der Charité.

Knochenbrüche und Osteoporose sind gerade bei Rheuma ein großes Problem
Praktisch einsatzbereit ist auch das Knochenmodell, an dem Knochenbrüche und deren Heilungsprozess simuliert werden. Langfristiges Ziel ist es, eine gestörte Frakturheilung medikamentös zu korrigieren. „In den ersten Stunden nach einer Fraktur kommt es in dem Knochenspalt zu sehr vielen Reaktionen, es entsteht zum Beispiel ein Hämatom, Immunzellen kommen hinzu und die Heilung des Knochens wird initiiert“, erzählt Moritz Pfeiffenberger, Doktorand in der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Frank Buttgereit. „Diesen komplexen Vorgang wollen wir nachstellen, weil es gerade in der initialen Phase negative Einflüsse geben kann, die den Heilungsprozess ungünstig beeinflussen.“

Besonders Rheumapatienten könnten von den neuen Erkenntnissen profitieren, da Knochenbrüche bei ihnen aufgrund des gestörten Immunsystems oft schlechter heilen. Überdies leiden Rheumatiker häufig an einer Kortison-bedingten Osteoporose, was wiederum das Risiko für Frakturen deutlich erhöht. Ein Teufelskreis, den die Forscher mit einem weiteren Modell durchbrechen wollen: Das neue Modell wird eigens dafür entwickelt, um neue Ansätze zur Behandlung der sogenannten Glukokortikoid-induzierten Osteoporose zu finden.

Alles, was ein Gelenk zum Leben braucht
„Unsere Modelle sind sehr komplexe Systeme, die uns perspektivisch dabei helfen sollen, zelluläre Mechanismen besser zu verstehen und zudem eine erste Abschätzung der Wirksamkeit therapeutischer Strategien zu ermöglichen“, sagt Doktorandin Alexandra Damerau, die 2018 mit dem Lush-Prize für die Entwicklung einer Alternative zu Tierversuchen ausgezeichnet wurde. Die Berliner Biotechnologin hat das humane Arthritis-Gelenkmodell maßgeblich mitentwickelt, weil sie sich davon weniger Tierversuche und bessere human-basierte Forschungsergebnisse erhofft.

Für das Modell haben Damerau und ihre Kollegen ein komplettes Gelenk aus Knochen, Knorpel, Synovialflüssigkeit und Synovialmembran entwickelt. Zum 3D-Gelenkmodell werden nachfolgend Immunzellen und inflammatorische Zytokine appliziert, um die frühe Phase der Autoimmunerkrankung Rheumatoide Arthritis adäquat zu simulieren.

„Das Gelenkmodell enthält alle beteiligten Gewebekomponenten und Zelltypen und ermöglicht so Wechselwirkungen zwischen Zellen durch Zellkontakte oder über Signalmoleküle und Metabolite, was der in-vivo-Situation im lebenden Organismus nahekommt“, erläutert Dr. Timo Gaber, Laborleiter. Mitte 2020 sollen die ersten Medikamententests an den Miniatur-Gelenken beginnen.

Forschen für bessere Therapien und weniger Tierversuche“
Wird man durch die alternativen Modelle künftig gar keine Tierversuche mehr brauchen? Nicht ganz, meinen die Forscher, aber die humanen Modelle filtern vor, so dass nur noch für die wirklich aussichtsreichen Wirkstoffkandidaten Tierversuche nötig sein werden. Mit anderen Worten: Alle Substanzen die hier schon scheitern, werden gar nicht erst an Tieren getestet.

„Unser erklärtes Ziel ist zu zeigen, dass wir mit unseren Modellen zu besseren Ergebnissen kommen und somit Tierversuche potenziell zu ersetzen“, betont Arbeitsgruppenleiter Prof. Dr. Frank Buttgereit.

Da die Forscher die Herstellungsprotokolle veröffentlichen, können auch andere Einrichtungen die 3D-in-vitro-Modelle nachbauen und für eigene Forschungszwecke nutzen. Das potenziert den Effekt. Rheumaforscher Prof. Dr. Frank Buttgereit: „Die Resonanz in der Fachwelt ist schon jetzt sehr groß. Diese Tatsache lässt erwarten, dass wir für unsere tierfreien Methoden weltweit Nachahmer finden werden.“

(Autorin: Beatrice Hamberger)

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