Organe aus dem Automaten

Herstellung von in vitro Hauttestsystemen

  • Abb.1: Histologischer Schnitt des in vitro Hautmodells. Abb.1: Histologischer Schnitt des in vitro Hautmodells.
  • Abb.1: Histologischer Schnitt des in vitro Hautmodells.
  • Abb.2: Gesamtanlage zur Herstellung von in vitro Hauttestsystemen

In den letzten Jahren haben die in vitro Vollhautmodelle große Fortschritte gemacht. Solche Modelle werden im Labor gezüchtet und eignen sich wegen des human ähnlichen Aufbaus für Tests von Substanzen aus Industrie und Forschung. Einen entscheidenden Anteil am Fortschritt dieser Modelle hat die 7. Kosmetikrichtlinie, welche vorschreibt, bis zum Jahr 2009 Tierversuche zur kutanen Resorption durch in vitro Tests zu ersetzen. Weiterhin sollen im Rahmen der REACH (Registration, Evaluation, Authorisation and Restriction of Chemicals) Verordnung eine große Zahl von Chemikalien auf schädliche Nebenwirkungen getestet werden.

In der Pharma-Forschung und ganz besonders beim Screening potenzieller Substanzen mit therapeutischem Nutzen sind hoch entwickelte und standardisierte Testsysteme als möglichst human nahe Indikatoren für den Wirknachweis gesucht. Aufgebaut ist das Hautmodell aus einer Kollagen Typ I Matrix in die Fibroblasten eingebracht werden. Auf diese Matrix werden humane epidermale Keratinozyten aufgebracht und durch eine mehrwöchige Kultivierung des entstehenden Epithels an der Luft-Medium-Übergangszone wird eine Differenzierung zu einer mehrschichtigen Epidermis erreicht.

Eine kostengünstige und schnelle Bereitstellung von Gewebemodellen ist eine der größten Herausforderungen des Tissue Engineering. Mit Erteilung des Patents EU01953961.81 ist das Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik, die erste Forschungseinrichtung, die ein zweischichtiges Hautmodell herstellt und als in vitro Testsystem nach DIN ISO 10993-5 akkreditiert wurde.

Die Bereitstellung von Tissue Engineering Produkten in größeren Stückzahlen und zu wettbewerbsfähigen Preisen kann nur durch eine standardisierte und automatisierte Produktion erfolgen. Ziel der Automatisierung ist es, einen Anlagenprototyp zur Herstellung von in vitro Hauttestsystemen aufzubauen. Hierzu ist eine Weiterentwicklung der Automatisierungstechnik auf die spezifischen Anforderungen der Verarbeitung biologischer Materialien unter sterilen Bedingungen erforderlich. Bestehende Einzeltechnologien müssen in ein Gesamtsystem integriert und neue Technologien zur Zellcharakterisierung und -handhabung sowie zur akkuraten Prozess- und Qualitätskontrolle entwickelt werden.

Besondere technische Herausforderungen liegen in der Bioreaktortechnologie, der »online« zu erfolgenden und berührungsfreien Kontrolle der Kulturbedingungen sowie der Überprüfung des Entwicklungszustandes der Zellen.

Die Produktionsanlage wird modular aus mehreren Stationen aufgebaut, wobei Einzelmodule autark betrieben werden können (Abb. 2: Gesamtanlage). Zur Systemintegration wird eine prozessübergreifende, technische Plattform bereitgestellt. Diese Herausforderung wird von vier Instituten der Fraunhofer Gesellschaft (Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik, Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung, Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie, Fraunhofer-Institut für Zelltherapie und Immunologie) in einem Großprojekt durchgeführt, mit dem Ziel Organe und /oder Gewebe automatisiert herzustellen.

Im einzelnen funktioniert die Anlage folgendermaßen: In einem mehrstufigen, automatisch ablaufenden Prozess werden jetzt die kleinen Hautstücke zunächst sterilisiert, dann transportiert ein Greiferarm die Stücke in die Anlage, in der die einzelnen Schritte wie folgt ablaufen: Der Automat schneidet die Biopsie klein, isoliert sie mithilfe von Enzymen und separiert die zwei Zellfraktionen. Die zwei unterschiedlichen Zelltypen werden dann getrennt auf Zellkulturoberflächen vermehrt. Der nächste Arbeitsschritt fügt die beiden Zelltypen zu einem zweischichtigen Modell zusammen - wobei den Zellen, die die flexible untere Schicht, die Dermis, bilden sollen, Kollagen beigemischt wird. In einem temperierten Inkubator verbinden sich die Zellfraktionen zu einemfertigen Hautmodell von etwa einem Zentimeter Durchmesser. Alternativ kann das Gewebe auch kryokonserviert und für spätere Zwecke gelagert werden. Wichtig ist, dass der gesamte maschinelle Ablauf in einzelne Module unterteilt ist, somit können einzelne Module entsprechend den Anforderungen zur Herstellung unterschiedlicher Gewebe ausgetauscht oder verändert werden.

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Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB
Nobelstr. 12
70569 Stuttgart
Germany
Telefon: +49 711 9704 001
Telefax: +49 711 9704 200

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