Geschäftsfeld 2

Regenerative Medizin: Herausforderung qualifiziertes Biobanking und kontrollierte Selbstheilung

Zusammenfassung

Alle Stadien der Gewebebildung sind für die Selbstheilungskräfte des Organismus von eigener Bedeutung. Den Forschern des Fraunhofer-Verbunds Life Sciences ist es gelungen, alle diese Stadien, von der Stammzelle und deren Differenzierung zum Zellverbund, zum Gewebe bis hin zum Implantat, durch gezielte Anregung und Kontrolle zu beeinflussen. Auf jeder Stufe dieser Abfolge kann der Verbund auf Ergebnisse aus Forschung und Entwicklung zu neuen therapeutischen Ansätzen, auf eigene Techniken und spezielles Know-how zugreifen. Besonders gute Erfolge wurden mit adulten, aus Drüsengewebe gewonnenen Stammzellen erzielt. Gezielt differenziert sind sie derzeit in einem Herzinfarkt- und einem Hautersatzmodell im Test. Komplexe zelltherapeutische Konzepte haben sich zum Beispiel bei der Steuerung immunologischer Vorgänge oder zur Behandlung von Gewebeschäden nach Schlaganfällen bewährt.

Biologische Gewebe, besonders Knorpel und Haut, können zur Unterstützung des Heilungsprozesses oder als Ersatz bei großen Gewebeverlusten beim Fraunhofer-Verbund Life Sciences mit allen entsprechenden arzneimittelrechtlichen Kompetenzen in eigenen GMP-Laboren gezüchtet werden. Bisher erfolgte dies überwiegend manuell, doch die Entwicklung neuer vollautomatisierter Anlagen für das Tissue-Engineering ist weit fortgeschritten.

Biomarker spielen in den Life Sciences eine Schlüsselrolle. Ihre Identifizierung und Validierung gelingt durch den Vergleich möglichst großer Probenzahlen und Fallkohorten. Ein Prototyp für vernetztes Biobanking ist die Biodatenbank CRIP (Central Research Infrastructure for Molecular Pathology). Hier werden Daten gespeichert, die in standardisierten Verfahren für Probenahme und Asservierung gewonnen wurden. Reale Proben werden in EUROCRYO, der europäischen Forschungsdatenbank bei der Fraunhofer-Gesellschaft, für spätere Verwendungszwecke eingelagert und erhalten. Damit steht eine in System und Inhalt weltweit einzigartige Probenbank zur Verfügung.

 

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Die Zelle ist die Basis

Heilungs- und Reparaturvorgänge, die im menschlichen Organismus kontinuierlich ablaufen, sind die Vorbilder für die regenerative Medizin. Diese körpereigenen Heilungs- und Abwehrmechanismen sind individuell unterschiedlich ausgeprägt. Sind bei einzelnen Läsionen die Grenzen der körpereigenen Möglichkeiten erreicht, können weitere Heilungsvorgänge mit den Mitteln der regenerativen Medizin stimuliert oder imitiert werden. So werden biologische Ersatzzellen beziehungsweise -gewebe eingesetzt und körpereigene Reparaturprozesse stimuliert, um Gewebe- und Organfunktionen wiederherzustellen.

Zu den Kernkompetenzen des Fraunhofer-Verbunds Life Sciences gehört der Umgang mit Stammzellen, insbesondere mit adulten Stammzellen. Die umfassende Erfahrung des Verbunds mit diesen Systemen bildet die Grundlage für die Entwicklung neuer Handhabungssysteme und Geräte für den Transfer, die Differenzierung und Dedifferenzierung sowie für das Klonen von Einzelzellen.

Qualifiziertes Biobanking

Der Fraunhofer-Verbund Life Sciences verfügt über eine weltweit einmalige Kompetenz in der Technik und den Verfahren zur Kryokonservierung von Zellen und kleinen Gewebesegmenten. Die Zellen können so ohne Qualitätseinbußen gelagert und anschließend für Forschungszwecke, biotechnologische Anwendungen oder zur Therapie eingesetzt werden. In der europäischen Forschungskryobank der Fraunhofer-Gesellschaft, EUROCRYO, werden wertvolle und einzigartige Zellsammlungen (Lebendproben) den Erfordernissen der modernen Biotechnologie entsprechend angelegt. Selbst nach Jahrzehnten ist damit eine retrospektive Untersuchung der jeweiligen Proben noch aussagekräftig. Kernelemente des Konzepts sind die Miniaturisierung und eine hochparallele Probenablage. Die hierfür entwickelte mikrosystembasierte Kryotechnologie erlaubt mit Hilfe neuartiger Lagersubstrate die Anzahl der möglichen Kryoproben im ersten Miniaturisierungsschritt um den Faktor 100 zu erhöhen. Um Verwechslungen auszuschließen, wird zusammen mit den Proben eine elektronische Speichereinheit abgelegt, die bis zu 1 GB aufnehmen und auch bei Temperaturen von -180 °C gelesen und beschrieben werden kann. Hohe Vitalitätsraten zeichnen die entwickelten Verfahren aus, sie eignen sich daher ganz besonders für die Stammzellforschung und -konservierung. Vor dem Hintergrund dieser Erfahrung bietet der Fraunhofer-Verbund Life Sciences die Planung, Baubegleitung und den Bau von Kryobanken und Kryospezialgeräten für die Medizin, Biologie und Pharmaforschung bis zur industriellen Skalierung an.

Neue Strategien zur gezielten Differenzierung von Stammzellen

Aktuelle Erkenntnisse der Stammzellforschung belegen, dass eine sehr effiziente Methode, Stammzellen in einen bestimmten Zelltyp differenzieren zu lassen, die Kokultur der Stammzellen mit anderen Zellen oder Gewebebiopsien darstellt. Dabei stützt man sich auf die Vermutung, dass wichtige externe Signale, die die Identität einer Zelle steuern, lokal vom Zielgewebe ausgehen; dass also beispielsweise eine adulte Stammzelle, die ins geschädigte Herz einwandert, vom Herzgewebe selbst die entscheidenden Signale erhält, in eine Herzzelle zu differenzieren.

Der Fraunhofer-Verbund Life Sciences kann in diesem Forschungsfeld auf die Ergebnisse mehrjähriger Erfahrung in der Stammzellforschung zurückgreifen. Glanduläre Stammzellen werden – je nach Zell- und Gewebetyp – in direktem oder indirektem Kontakt mit Gewebebiopsien kokultiviert. Bei direkter Kokultur werden Gewebebiopsien zu adhärent wachsenden Zellen in die Kultivierungsgefäße hinzugegeben. Für eine indirekte Kokultur werden Gewebebiopsien und Stammzellen in separate Kokulturgefäße platziert, um eine räumliche Trennung zu ermöglichen. Diese erlaubt zwar den Austausch von Botenstoffen und Signalen, verhindert aber gleichzeitig den Übergang von Zellen aus der Biopsie zu den Stammzellen. Die Methode konnte bisher erfolgreich zur induzierten Anreicherung von Nervenzellen über Hirnbiopsien wie auch von Herzmuskelzellen durch Herzbiopsien angewandt werden. Die ersten Ergebnisse dieser Untersuchungen finden bereits Anwendung in der Entwicklung von Strategien für die Herzgeweberegeneration. Dazu werden Stammzellen auf bioabbaubaren Netzen gezüchtet und in Kardiomyozyten-ähnliche Zellen differenziert. Diese Netze werden derzeit in einem Herzinfarktmodell getestet.

Reprogrammierung von Zellen

Nicht nur Stammzellen, sondern alle therapeutisch relevanten Zellpopulationen im Allgemeinen, bergen die Hoffnung, Krankheiten erfolgreich zu behandeln, die bisher als unbehandelbar galten. Das trifft insbesondere für Krankheiten zu, die mit einem Verlust an Zellen und damit an Funktionalität verbunden sind. Allerdings gehen die Möglichkeiten des therapeutischen Einsatzes weit über den eigentlichen Zellersatz hinaus. Auch bei der Verhinderung oder Abmilderung degenerativer Prozesse konnte ein Nutzen nachgewiesen werden.

Eine wesentliche Herausforderung hierbei ist für die Biomedizin, adulte Stammzellen in ausreichender Qualität und Quantität für therapeutische Zwecke zu gewinnen. Von den Fraunhofer- Wissenschaftlerinnen und -Wissenschaftlern wurde ein Verfahren entwickelt, um patientenspezifische, individualisierte Stammzelllinien aus somatischen Zellen nicht-viral und nicht genetisch modifiziert zu erzeugen (induzierte pluripotente Stammzellen – iPS). Diese iPS-Zellen zeigen die typischen Charakteristika wie embryonale Stammzellen, ohne dabei ethische Kontroversen zu berühren.

Im Fokus der Forschungsarbeiten steht insbesondere die Herstellung von iPS ohne den Einsatz von Viren. Verschiedene Arten der Reprogrammierung, unter anderem mit eigens entwickelten Medienkompositionen, können untersucht werden, zum Beispiel Fusion, Kerntransfer und Stammzellextrakte.

Immun- und Zelldiagnostik

Zur Darstellung von Zellen und Zellfunktionen im Gewebe und für die Prognose der therapeutischen Ansprechbarkeit bietet der Fraunhofer-Verbund Life Sciences verschiedene Analyseund Diagnosemethoden an: bildgebende Zelldiagnostik und Verlaufskontrolle, Zellfunktionsanalytik, innovative Gewebetypisierungen sowie Pharmakogenomik von Entzündungen. Anhand der vom Verbund entwickelten Zellen und Gewebekulturen können die Wissenschaftler die Funktionalität von diagnostischen und therapeutischen Konzepten praxisnah an komplexen Systemen untersuchen.

Immunmodulation und Zelltherapie

Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler im Fraunhofer- Verbund Life Sciences entwerfen Strategien für die immunologische Toleranzinduktion, das Toleranzmonitoring und die Steuerung von Funktionen des Immunsystems. Damit gelingt das immunologische Management von Gewebeabstoßungsreaktionen. Mit Hilfe von Zellisolierung und -aufbereitung, Zellapherese und Zellvermehrung in vitro entwickelt der Verbund Therapiekonzepte weiter. Die Wissenschaftler setzen dabei Zellsuspensionen, vornehmlich mit Vorläufer- (Progenitor-) und Stammzellen, ein. Einen Schwerpunkt bilden dabei neue zelltherapeutische Ansätze für die Behandlung von Gewebeschäden durch Schlaganfälle. Mit der Möglichkeit der Tieftemperaturkonservierung und einer standardisierten und patentierten Isolationsmethode kann der Fraunhofer-Verbund Life Sciences auf eine Reihe weltweit nur hier verfügbarer Stammzellkulturen zugreifen. Es handelt sich hierbei um Kulturen aus verschiedenen Geweben unterschiedlichster Tiere bis hin zu humanen Stammzellkulturen mit ausgezeichneten Vermehrungsraten, guten Differenzierungsmöglichkeiten und Langzeitkultivierbarkeit.

Herstellung von Zelltherapeutika

Die klinische Prüfung von Arzneimitteln für neuartige Therapien erfordert hochwertige klinische Prüfpräparate, die nach GMP-Richtlinien hergestellt werden müssen. Im Fraunhofer- Verbund Life Sciences stehen neben Reinraumanlagen zur Produktion von Biopharmazeutika auch Reinraumanlagen zur Verfügung, die speziell für die Herstellung von Zell- und Gewebepräparaten konzipiert wurden und die nach neuesten technischen und regulatorischen Standards ausgerüstet sind. Eine Besonderheit ist hierbei die Unterteilung der Anlagen in separat zu begehende Reinraumsuiten; so kann das individuelle Zellprodukt jedes einzelnen Kunden kontinuierlich zur Verfügung gestellt werden. Gleichbleibend hohe Qualität wird durch ein exzellent ausgerüstetes Qualitätslabor, hochqualifiziertes Personal und ein umfassendes Qualitätsmanagementsystem sichergestellt.

Die Behandlung onkologischer Erkrankungen mit Zelltherapeutika ist eine der aktuellsten Behandlungsstrategien, die derzeit weltweit in klinischen Studien geprüft wird. Im Fraunhofer-Verbund Life Sciences besteht die Möglichkeit sowohl zytokininduzierte Killerzellen als auch dendritische Zellen patientenspezifisch herzustellen und zu optimieren. Sämtliche Arbeiten von der Prozessentwicklung bis zur Erlangung der Herstellerlaubnis erfolgen alle aus einer Hand.

In der fortgeschrittenen praktischen Umsetzung befindet sich der Aufbau eines GMP-konformen Herstellungsprozesses für eine autologe Zelltherapie des ischämischen Schlaganfalls.

Risikoanalyse regenerativer Strategien

Im Rahmen der Entwicklung neuer regenerativer Strategien ist es notwendig, eine möglichst umfassende Biokompatibilitätsprüfung der Produkte in murinen und humanen Systemen vorzunehmen. Dieses sichert eine zügige Entwicklung der Produkte hin zu präklinischen oder klinischen Anwendungen. Im Fraunhofer-Verbund Life Sciences werden mit Hilfe von In-vitround In-vivo-Analysen Risikoprofile von Produkten erstellt. Diese berücksichtigen zum Beispiel die immunologische Verträglichkeit, zytotoxische, proliferative und stimulierende Effekte auf Primär-, Stamm- oder Tumorzellen sowie thrombogene, hämolytische oder genotoxische Aktivität. Für komplementierende Experimente in vivo werden verschiedenste, spezialisierte Mausmodelle genutzt.

Darüber hinaus steht ein kompetenter Partner mit einem akkreditierten diagnostischen Labor bei der Umsetzung von klinischen Studien zur Verfügung.

Biodatenbank CRIP – »Central Research Infrastructure for molecular Pathology«

»Biobanken« sind Sammlungen biologischer Materialien und zugehöriger Daten.

Eine Biobank- und Institutionen-übergreifende Infrastruktur – auch als »Biodatenbank« oder »meta-Biobank« bezeichnet – wird in der biomedizinischen Forschung und Entwicklung zunehmend für Aufgaben wie zum Beispiel die Identifizierung und Validierung von Biomarkern benötigt. Mit der »Central Research Infrastructure for molecular Pathology« CRIP wird innerhalb des Fraunhofer-Verbunds Life Sciences seit 2007 eine solche Biodatenbank betrieben und als Prototyp auch für andere Forschungsfragestellungen weiterentwickelt. Die Rechte der Partner-Biobanken einer Biodatenbank an ihren jeweiligen Daten und Proben bleiben ebenso gewahrt wie die Persönlichkeitsrechte der Probenspender und die Datenschutzgesetze. Zur Erforschung multifaktorieller Erkrankungen und individualisierter Therapien werden immer größere Probenzahlen und Fallkohorten benötigt, die in einzelnen Kliniken gar nicht oder nur über einen sehr langen Zeitraum gesammelt werden könnten. Daher müssen insbesondere medizinische Biobanken zusätzlich über Biodatenbanken untereinander vernetzt werden. Voraussetzung dafür sind unter anderem standardisierte Verfahren für Probenahme und -asservierung sowie ein Datenverbund, der den einschlägigen ethischen und rechtlichen Standards genügt.

Humane Gewebeproben sind von besonderer Bedeutung für die Forschung, denn an ihnen lassen sich sowohl lokal eingrenzbare Erkrankungen (wie zum Beispiel Krebs oder Entzündungen) als auch die organspezifische Ausprägung systemischer Erkrankungen untersuchen. Im Gegensatz zu anderen Körpersubstanzen wie Blut oder Serum sind Gewebeproben nicht reproduzierbar. Daher muss die Zusammenführung von Gewebebanken in Biodatenbanken – zum Beispiel mit der »Central Research Infrastructure for molecular Pathology« (CRIP) – einen Engpass für die Forschung überwinden.

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Tissue Engineering

Unter Tissue Engineering versteht man die Nachzüchtung von natürlichen Geweben aus primären Zellen unter Laborbedingungen. Mit diesem Gewebe können Heilungsprozesse unterstützt, kann funktionsuntauglich gewordenes Gewebe regeneriert sowie zerstörtes Gewebe, beispielsweise bei Verbrennungen der Haut, ersetzt werden. Der Weg zu einem anwendungsreifen Tissue-Engineering-Produkt gliedert sich in zwei Hauptabschnitte. Im ersten erfolgt die Etablierung und Verifizierung eines Verfahrens, das zum gewünschten Produkt führt; der zweite Abschnitt umfasst die Anpassung dieses Verfahrens an die arzneimittelrechtlichen Vorgaben. Hierzu gehört ein hoher Grad an Formalisierung und autorisierter Dokumentation. Der Fraunhofer-Verbund Life Sciences bietet als kompetenter Forschungspartner für Medizin und Medizintechnik die verfahrenstechnische Entwicklung von Tissue-Engineering-Produkten einschließlich geeigneter Trägerstrukturen an; GMP-Labore zur Herstellung autologer Transplantate stehen ebenfalls zur Verfügung.

Ein weiterer Schwerpunkt ist die Entwicklung von dreidimensionalen Testsystemen mit organspezifischen Eigenschaften; diese eignen sich für die In-vitro-Substanztestung in Medizintechnik, Kosmetik, Pharma- und Chemieindustrie.

Produktionstechnik für das Tissue Engineering

Tissue Engineering steht bereits seit einigen Jahren im Fokus der Forschung, in vielen biotechnologischen Labors werden Gewebe wie Knorpel oder Haut gezüchtet. Bisher ist aber die Züchtung von Transplantaten beispielsweise Hauttransplantaten teuer, da die meisten Schritte des Verfahrens manuell durchgeführt werden. Die kostengünstige und vor allem schnelle Bereitstellung von Gewebestrukturen ist nach wie vor eine der größten Herausforderungen des Tissue Engineerings. Nur durch eine vollständige Überarbeitung von Produktionstechnologie, Prozessen und Methoden in einer interdisziplinären Zusammenarbeit von Forschern der Lebens- und Ingenieurswissenschaften ist das enorme Potenzial des Tissue Engineerings in einem integrierten Ansatz zu erschließen.

Dieser Herausforderung haben sich die Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen des Fraunhofer-Verbunds Life Sciences gestellt: zusammen mit ihren Kolleginnen und Kollegen aus den Fraunhofer-Instituten für Produktions- und Automatisierungstechnologie arbeiten sie an der vollautomatisierten Herstellung von Geweben. Der maschinelle Ablauf ist in einzelne Module unterteilt, so dass die Anforderungen zur Herstellung unterschiedlicher Gewebe erfüllt werden können. Bis die fertige Maschine für das »Tissue Engineering on Demand« auf den Markt kommt, ist noch weitere Entwicklungsarbeit zu leisten. Klar ist aber heute schon, dass dadurch der Medizin eine Reihe neuer Möglichkeiten eröffnet wird.

Darüber hinaus ist das automatisierte Tissue Engineering auch für Chemie-, Kosmetik-, Pharma- und Medizintechnikunternehmen interessant, die die Verträglichkeit ihrer Produkte testen müssen.

Neue Stammzellquellen für das Tissue Engineering

Die Behandlung akuter und chronischer Hautwunden ist lange eine Domäne der sekundären Versorgung durch aufwändige plastisch-rekonstruktive Eingriffe gewesen. Jährlich bedürfen Tausende von Brandverletzten sowie Hunderttausende von Patienten mit chronischen Wunden unterschiedlicher Genese eines Wundverschlusses um Flüssigkeits- und Elektrolytverluste, Infektionen, Stoffwechselentgleisungen, Immunsuppression, Schmerzen und Amputationen zu verhindern. Die Entwicklung und der Einsatz von artifiziellen Hautersatzmatrices, die die wesentlichen Eigenschaften menschlicher Haut erreichen, ermöglichen einen sofortigen Wundverschluss und unterstützen die Regeneration.

Biologische Hautersatzmatrices sind dreidimensionale Systeme, beispielsweise aus Collagenfasern und Elastin, welche einen sofortigen Wundverschluss ermöglichen und als Fasergerüst für die permanente Regeneration funktionaler autologer Dermis dienen. Eine weitere Optimierung künstlicher Hautersatzverfahren könnte durch die Kombination mit Stammzellen erreicht werden, die in Hautstrukturen differenzieren oder durch Abgabe von Wachstumsfaktoren die Regeneration beschleunigen und/oder verbessern. Ein Fokus des Fraunhofer-Verbunds Life Sciences im Bereich der Zelldifferenzierung ist die Charakterisierung und Nutzbarmachung von adulten Stammzellen aus exokrinem Drüsengewebe. Multipotente Stammzellpopulationen mit ähnlichen Eigenschaften lassen sich aus Pankreasgewebe, Speicheldrüse und Haut isolieren. Hier konnte bereits gezeigt werden, dass eine mit pankreatischen Stammzellen besiedelte Hautersatzmatrix im Mausmodell für eine beschleunigte Wundheilung und eine bessere Vaskularisierung von Vollhautdefekten sorgt.

Biomaterialien eröffnen neue Möglichkeiten

Für den Erfolg des Tissue Engineering spielt die Wechselwirkung zwischen Material und dem jeweiligen biologischen System eine herausragende Rolle. Durch Kombination materialwissenschaftlicher Kompetenzen und zellbiologischer Erfahrungen werden bioaktive, biokompatible oder bioinerte Materialien für den Einsatz in Medizin und Medizintechnik entwickelt – ein Beispiel für die Möglichkeiten fachübergreifender Kooperation innerhalb des Fraunhofer-Verbunds Life Sciences. So werden zum Beispiel Implantatmaterialien mit Hilfe der Plasmatechnik so präpariert, dass Proteine nicht unspezifisch adsorbieren; andererseits sorgt eine Beschichtung mit Wachstumsfaktoren dafür, dass Säugerzellen besser anwachsen. Die Biokompatibilität der Oberflächen ist auch bei künstlichen extrazellulären Trägerstrukturen von enormer Bedeutung. Nur durch gute Biokompatibilität ist die Funktionsfähigkeit der angrenzenden biologischen Systeme gewährleistet.

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