Haut aus der Fabrik

Um künstliche Haut als In-vitro-Testsystem für Kosmetika oder Chemikalien herzustellen, haben die vier Fraunhofer-Institute IGB, IPA, IPT und IZI unter der Leitung von Frau Prof. Dr. Heike Walles, Fraunhofer IGB, einen vollautomatisierten Produktionsprozess für humane Hautäquivalente und eine Produktionsanlage entwickelt.

Innerhalb des von der Fraunhofer-Zukunftsstiftung geförderten Projekts »Mass Customized Organ Replicates – Tissue Engineering on Demand« konnte die gesamte Prozesskette zur Herstellung von Hautmodellen – von der Zellextraktion über die Zellvermehrung bis hin zum dreidimensionalen Gewebeaufbau – vollautomatisiert abgebildet werden. Mit dem etablierten Produktionsprozess wurden zunächst 3-D-Hautäquivalente (Vollhautmodelle bestehend aus Epidermis und Dermis) hergestellt. Derzeit wird die Anlage für Epidermismodelle validiert.

Künstliche Haut als In-vitro-Testsystem für Kosmetika, Chemikalien und Arzneimittel ist rar: Die Herstellung eines In-vitro-Hauttestsystems erfolgt derzeit im Labormaßstab, benötigt eine Kultivierungszeit von sechs Wochen und muss ausnahmslos von geschultem Personal durchgeführt werden.

Die aufwändige und langwierige manuelle Herstellung hat die vier Fraunhofer-Institute IGB, IPA, IPT und IZI herausgefordert, einen Prozess und eine Anlage für die vollautomatisierte und standardisierte  Herstellung von Hautäquivalenten zu entwickeln. Tierversuche könnten so reduziert werden, denn die Verträglichkeit von Kosmetika und die Toxizität von Chemikalien lassen sich auf dem künstlichen Gewebe realitätsnah testen. Darüber hinaus können sich langfristig durch die »Hautfabrik« auf dem Gebiet der Hauttransplantationen neue Perspektiven eröffnen.

Automatisierbare Kultivierungsschritte

Das am Fraunhofer IGB entwickelte und patentierte dreidimensionale Hautmodell ist ein gut etabliertes System (Patent-Nr. EP 1 290 145B1) und wurde als Standardmodell für die Konzeption automatisierter Prozessschritte herangezogen. Der erste Schritt für die Entwicklung automatisierter Prozesse im Tissue Engineering war die Analyse und das Verständnis aller einzelnen Schritte – von der Hautbiopsie bis zum dreidimensionalen Hautmodell – um diese dann in maschinelle Abläufe und Umgebungen übersetzen zu können.

So wurde innerhalb des Projekts die Herstellung eines synthetischen Kollagenersatzes aus biokompatiblen und bioabbaubaren Polymeren erforscht, ebenso wie die Entwicklung eines Bioreaktors zur automatisierten Zellkultivierung mit einer funktionalisierten Membran für die Expansion der Zellen.

Validierung als Tierversuchsersatz

Damit ein In-vitro-Testsystem als Ersatz zum Tierversuch von der zuständigen Behörde, dem European Centre for the Validation of Alternative Methods (ECVAM), akzeptiert wird, muss nachgewiesen werden, dass die toxikologischen Eigenschaften der Substanz mit dem Testverfahren ausreichend sensitiv, spezifisch und reproduzierbar untersucht werden können. Hauptzielsetzung ist es daher nun, das erste automatisch hergestellte Hauttestsystem für einen In-vitro-Irritationstest zu validieren und dann einer möglichst großen Anzahl von Benutzern zur Verfügung zu stellen.

Für die Validierung greifen wir auf ein Epidermismodell zurück, da wir hierbei von bereits vorhandenen Daten vorhergehender Validierungsstudien sowie den bestehenden Erfahrungen der ECVAM mit diesem Testsystem profitieren können. Dies sollte es uns ermöglichen, das Testsystem innerhalb eines möglichst kurzen Zeitraums zu validieren und für die kommerzielle Nutzung vorzubereiten.

Weiterführende Links:

www.tissue-factory.com

www.igb.fraunhofer.de/de/kompetenzen/zellsysteme/gewebemodelle/haut-aus-der-fabrik.html

Innerhalb von drei Jahren Projektlaufzeit wurde ein Konzept entwickelt, um die gesamte Prozesskette zur Herstellung zweischichtiger Hautmodelle (Epidermis, Dermis) vollautomatisiert abzubilden, und dann beispielhaft durchgeführt. Wichtig ist, dass die gesamte maschinelle Herstellung in einzelne Module unterteilt ist. Somit können diese Module entsprechend den Anforderungen zur Herstellung unterschiedlicher Gewebe ausgetauscht oder an die Ansprüche anderer Gewebe angepasst werden.

Modularer Aufbau für vollautomatisierte Herstellung von Hautmodellen

Um die gesamte, mehrstufige und automatisch ablaufende Prozesskette zur Herstellung zweischichtiger Hautmodelle vollautomatisiert abbilden zu können, werden zunächst die Hautbiopsien sterilisiert, die dann mit einem Greiferarm in die Anlage transportiert werden. In der modular aufgebauten Anlage laufen die einzelnen Schritte wie folgt ab: Der Automat schneidet die Biopsie klein, danach werden mithilfe von Enzymen die dermalen Zellen von den epidermalen Zellen separiert (Modul B).

Diese zwei unterschiedlichen Zelltypen werden dann getrennt auf Zellkulturoberflächen ausgesät und vermehrt (Modul C). Wenn eine ausreichend hohe Zellzahl erreicht ist, werden im anschließenden Arbeitsschritt die beiden Zelltypen zu einem zweischichtigen Modell zusammengefügt. Hierbei wird den Zellen, die die flexible untere Schicht – die Dermis – bilden sollen, Kollagen beigemischt (Modul D). Dieses verleiht dem Gewebe die natürliche Elastizität. In einem körperwarmen und feuchten Inkubator verbinden sich die Zellfraktionen in weniger als drei Wochen zu einem fertigen Hautmodell von etwa einem Zentimeter Durchmesser.

Validierung mit humanen Epidermismodellen

Innerhalb nur weniger weiterer Monate konnte das Projektkonsortium den Prozess zur Herstellung eines humanen Epidermismodells in der Hautfabrik etablieren. Hierzu werden dermale Zellen (Keratinozyten) isoliert, vermehrt und dann in eigens dafür entwickelten und patentierten Kulturgefäßen zum Aufbau einer korrekt strukturierten Epidermis verwendet. So können reproduzierbare und in großer Stückzahl hochqualitative Epidermismodelle hergestellt werden, die sich morphologisch nicht von manuell hergestellten unterscheiden lassen.

Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB,
Prof. Dr. Heike Walles
Nobelstr. 12,
70569 Stuttgart,
Telefon +49 711 970-4117,

www.igb.fraunhofer.de
Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA,
Andreas Traube,
Nobelstr. 12,
70569 Stuttgart,
Telefon +49 711 970-1233,

www.ipa.fraunhofer.de
Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT,
Susanne Aghassi,
Steinbachstraße 17,
52074 Aachen
Telefon +49 241 8904-0

www.ipt.fraunhofer.de
Fraunhofer-Institut für Zelltherapie und Immunologie IZI,
Dr. Alexandra Stolzing,
Perlickstraße 1
04103 Leipzig
Telefon +49 341 35536-1000

www.izi.fraunhofer.de