Mittwoch, 13 Mai 2020 11:29

Arbeitsgruppe im Portrait: Dynamic42 GmbH Empfehlung

InVitro+Jobs stellt regelmäßig Wissenschaftler und ihre innovativen Forschungen als „Arbeitsgruppe im Portrait“ vor. Im Fokus stehen neu entwickelte Methoden, ihre Evaluation sowie der Ausblick, welche tierexperimentellen Versuchsansätze gemäß dem 3R-Prinzip (reduce, refine, replace) nach Möglichkeit reduziert und bestenfalls ersetzt werden können.

In dieser Ausgabe stellen wir ein junges Spin-off aus Jena vor. Die Dynamic42 GmbH ist im März 2018 aus dem „Center of Sepsis Control and Care“ (CSCC) des Universitätsklinikums Jena ausgegründet worden.

Das Unternehmen mit Sitz im BioInstrumentezentrum auf dem Beutenberg Jena, entwickelt und vermarktet dreidimensionale, humane Organmodelle (sog. Organ-on-Chip-Technologie bzw. mikrophysiologische Systeme) für die präklinische Forschung und Entwicklung sowie die Prüfung pharmazeutischer Substanzen, Chemikalien und Lebensmittelzusätze. Die Gründer sind die Biologin Dr. Nancy Blaurock-Möller und die Biochemiker PD Dr. Alexander S. Mosig, Martin Raasch und Dr. Knut Rennert. Sie besitzen umfangreiche Erfahrungen in der Entwicklung von menschlichen, mikrofluidisch unterstützten in-vitro-Organmodellen auf Biochips.  

 

 Team von Dynamic42. Quelle: Dynamic42.


Vor der Gründung des Unternehmens haben Martin Raasch und Dr. Knut Rennert in der Arbeitsgruppe 'INSPIRE' unter der Leitung von Privatdozent Dr. A. S. Mosig am Universitätsklinikum Jena (UKJ) bereits humane Blutgefäß-, Leber-, Darm- und Alveolen-Modelle entwickelt. „Die Nutzung dieser Modelle als vermarktungsfähige Alternativen zum Tierversuch in der präklinischen Phase der Wirkstoff-Entwicklung war von Anfang an in Betracht gezogen worden“ beschreibt Knut Rennert die Motivation. Sie konnte nach der Gründung der Dynamic42 GmbH stetig vorangetrieben werden. Das Unternehmen wird von Knut Rennert und Martin Raasch geleitet. Das Team von Dynamic42 entwickelt und vermarktet dreidimensionale Organmodelle in mikrofluidisch-unterstützten Biochips (Organ-on-a-Chip). Dynamic42 entwickelt zudem in vitro-Krankheits- und Infektionsmodelle für die Grundlagen- und angewandte Forschung. Damit können mechanistische Studien durchgeführt oder pharmazeutisch wirksame Stoffe z.B. für die personalisierte Medizin getestet werden. Das Unternehmen bietet neben ihren Organ-on-a-Chip-Entwicklungen bevorzugt Testservices an (1).

Für ihre Entwicklungen haben die Wissenschaftler und Gründer in den letzten Jahren viel Anerkennung erfahren. So belegten sie z.B. 2018 beim Thüringer Gründerpreis den dritten Platz in der Kategorie „Businessplan“ (2) und haben soeben eine Start-up-Finanzierungsrunde in siebenstelliger Höhe erfolgreich abgeschlossen (3).

Kein Modell ohne Immunzellen

Die Modelle der Dynamic42 GmbH unterscheiden sich von denen anderer Entwickler und konkurrierender Unternehmen dadurch, dass in ihnen die für die Aufdeckung von Wirkstoff-Nebenwirkungen wichtigen Immunzellen gewebeseitig als auch über den nachgestellten Blutfluss integriert werden können. Für ihre Plattform und das Konzept haben Sie mehrere Auszeichnungen erhalten (EY Public Value Award (4), Thüringer Gründungspreis (5) sowie noch unter dem Gründungsprojektnamen „OrganiX“ Preisträger beim bundesweiten Businessplanwettbewerb Science4Life Venture Cup 2017 (6) und beim 6. Thüringer Strategiewettbewerb für innovative Gründungen 2017 (7). Der modulare Charakter der Chip-Modelle erlaubt zudem die Kombination zweier verschiedener Organmodelle, z.B. Lunge und Leber für vertiefte Studien zur Toxizität inhalierbarer Therapien. Auf Basis dieser Organmodelle kann vor Durchführung von Tierversuchen festgestellt werden, ob ein neuer Wirkstoffkandidat beim Menschen Nebenwirkungen haben könnte oder nicht. Somit lässt sich durch Nutzung dieser Organmodelle einerseits bereits in der präklinischen Phase die Arzneimittelsicherheit erhöhen, andererseits lassen sich auch Kosten und Zeit in der Arzneimittelentwicklung reduzieren, indem Studienabbrüche in humanen klinischen Phasen reduziert werden könnten. Zudem ist es höchstwahrscheinlich, dass die Zahl der Tierversuche in der Wirkstoffentwicklung durch diese Modelle reduziert wird.

Organ-on-Chip-Modelle sind die Testsysteme der Zukunft

Auf menschliche Organnachbildungen, kultiviert auf mikrofluidischen Chipsystemen (siehe Abb. 1), werden große Hoffnungen gelegt, dass sie zukünftig Tierversuche bei der Chemikalientestung, Arzneimittelentwicklung und anderen Forschungsfragestellungen reduzieren und langfristig auch ersetzen können. Dabei werden häufig adulte Zellen, z.B. Bindegewebszellen der Haut mit Hilfe von bestimmten Faktoren zu Stammzellen reprogrammiert (a), dann in einen gewünschten Zelltyp weiterentwickelt und kultiviert. Die so erhaltenen Zellen tragen die Erbinformation des Spenders, was bei der Erforschung von Erkrankungen und daraus zu entwickelnden personalisierten Therapien einen großen Vorteil bietet. Aus den Zellanordnungen bilden sich Organ-ähnliche Gewebe, die zur Untersuchung durch mehrstufige Prozesse in kleinste Vertiefungen des mikrofluidischen (b) Chips eingebracht und mit einer Blut-ähnlichen Flüssigkeit (Nährmedium mit Zusätzen zum zellulären Funktionserhalt) umspült werden.


 
Abb. 1: Links: Aufbau der Dynamic42 Chip-Plattform. Rechts: Fluoreszenzmikroskopische Aufnahme des Dynamic42 Lebermodells; Blau: Zellkern, Grün: Leberzell-Marker, Orange: Gallenkanälchen-Marker.
Fotos: Dynamic42.


Begonnen vor rund 20 Jahren, gibt es inzwischen weltweit eine Vielzahl an etablierten Miniorgan-Nachbildungen. Sie werden auf Einzelchips oder in Kombination als Zwei-, Vier- oder weit mehr Organ-Chips kultiviert. Das Wyss-Institut in Boston hat vor kurzem über einen 10-Organ-Ansatz berichtet. In der Studie verknüpften die Wissenschaftler seriell die Gefäßkanäle von acht verschiedenen Organ-Chips, darunter Darm, Leber, Niere, Herz, Lunge, Haut, Blut-Hirn-Schranke und Gehirn, unter Verwendung eines optimierten gemeinsam verwendeten Blutersatzes. Die Blutkanäle der Einzelchips waren dabei von organspezifischen Zellen ausgekleidet. Die Organ-ähnlichen Gewebe und ihre Funktionen waren länger als drei Wochen lebensfähig und ermöglichten, die Wirkung einer Testchemikalie quantitativ vorherzusagen (8). Auch andere Forscher berichteten bereits von einem 10-Organ-Chip (9). Diese Studien skizzieren die langfristige Vision vom „Human-on-a-Chip“ und stellen momentan hochgradig experimentelle Arbeiten da. Es bedarf hier noch umfangreicher Entwicklungsarbeiten bis die für die Wirkstoffprüfung interessanten Grundfunktionen eines menschlichen Organismus nahezu komplett und fehlerfrei im Zusammenspiel abgebildet werden können.

Die kleinen, häufig kugeligen oder mehrschichtigen Zellanordnungen simulieren dabei je ein menschliches Organ-ähnliches Gewebe im Miniaturformat. Die wichtigsten Zelltypen wie im echten Organ sind dabei meist vorhanden. Dass derartige Minisysteme (als Ein-Organ-Modell) funktionieren, konnte bereits in unzähligen Machbarkeits- und Validierungsstudien gezeigt werden – an Details muss jedoch noch gearbeitet werden. Dazu gehört die Integration des Immun- und des Hormonsystems.

In Zeiten, in denen die Menschheit weltweit durch das Coronavirus (SARS-CoV-2) bedroht wird und alle Hintergründe für eine Impfstoffentwicklung dringend benötigt werden, kann derartigen immunkompetenten Organ-on-a-Chip-Systemen eine hohe Bedeutung zukommen. Das Coronavirus bindet fest an den Rezeptor mit der Bezeichnung ACE2 (Rezeptor-Angiotensin-Converting-Enzyme II) von menschlichen Lungen-, Herz-, Nieren-, Endothelzellen (Zelltyp, der die Blutgefäße auskleidet) und im Magen-Darm-Trakt (10, 11, 12, 13, 14). ACE2 fungiert an den Zellen als Transmembranprotein. Humane in vitro Organ-Modelle können hier als ergänzendes Testungs-Tool für vertiefende Untersuchungen sowohl im Bereich Infektionsbiologie als auch im Bereich präklinische Prüfung neuer Therapeutika dienen.

Dynamic42 ist Partner des Forschungscampus InfectoGnostics in Jena. Hier werden Verfahren für die schnelle Vor-Ort-Infektionsdiagnostik entwickelt und Infektionen erforscht, wie z.B. die Lungenentzündung oder Tuberkulose (15). Die Dynamic42 GmbH hat in Kooperation mit weiteren Partnern des Forschungsclusters InfectoGnostics – dem Center for Sepsis Care and Control (CSCC), dem Leibniz-Institut für Naturstoff-Forschung und Infektionsbiologie Hans-Knöll-Institut (HKI), dem Universitätsklinikum Jena (UKJ) sowie der Universität Jena – ein künstliches humanes Modell eines Lungenbläschens („Alveolus-on-a-Chip“) entwickelt. Das künstliche Lungenbläschen liefert Ergebnisse für die Infektionsforschung, die näher an der menschlichen Situation sind als ein Tierversuch. Dies kann auch ein wertvolles Forschungstool in der aktuellen Covid-19-Krise werden, um zunächst Funktionsweisen des Virus besser zu verstehen und spätere Therapiemethoden zu evaluieren.

 



Abb. 2: Mikrofluidisch unterstütztes Chipmodell von Dynamic42. Ein Alveolus-on-a-chip wird über eine Pumpe mit blutähnlicher Flüssigkeit versorgt. Der mikrofluidische Chip besteht aus einer oberen (Luft-) und einer unteren (Flüssigkeits-) Kammer, die durch eine poröse Membran voneinander getrennt sind (Abb. unten). In die obere Kammer kommen die Epithelzellen des Alveolus (humane NCI-H441-Zellen), die nach einer Woche Kultur mit (Immunzellen) Makrophagen ko-kultiviert werden. In der unteren Kammer werden Endothelzellen (HUVECS) im Medium kultiviert. Über Mikrokanäle werden die Kompartimente aus einer Flüssigkeitskammer mit Hilfe einer peristaltischen Pumpe versorgt (Abb. oben).
Quelle: Deinhardt-Emmer, S., Rennert, K., Schicke, E. et al. (2020). Biofabrication 12/025012 (16). Creative Commons Attribution 4.0, https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.


Mit Hilfe des Alveolen-Chips konnten die Forscher bereits zeigen, dass bei gleichzeitiger Infektion von Viren und Bakterien – Influenza mit bakterieller Superinfektion durch Staphylokokken – die schützende innere Schicht von Blutgefäßen, das Endothel geschädigt wird (16). Auf diese Weise können sich Erreger und ihre giftigen Stoffwechselprodukte schneller in der Lunge verbreiten und führen zu teilweise schweren Lungenentzündungen (15, 16).


Die Lunge: Versorgungs- und Entfernungsorgan
Der Körper gewinnt Energie durch oxidativen Abbau von Nährstoffen und braucht daher eine ständige Sauerstoffzufuhr (17). Dafür ist die Lunge zuständig. Sie sorgt auch für den Abtransport von Stoffwechselendprodukten, insbesondere von CO2 und die Entfernung von Fremdpartikeln aus der Lunge. Zudem stellt sie eine wichtige Barriere gegenüber der Umwelt dar.

Das sogenannte Respirationsepithel kleidet den überwiegenden Teil des Atemtrakts aus. Es besteht aus mehreren Reihen von Epithelzellen. Auf der Innenseite (Lumen-seitig) der Zelloberfläche befinden sich Flimmerhärchen. Zwischen den normalen Epithelzellen gibt es außerdem Drüsenzellen (sogenannte Becherzellen). Sie produzieren Schleim, der an die Epitheloberfläche in das Lumen abgegeben wird. Die Schleimauskleidung ist eine Schutzschicht, die als Barriere gegen Bakterien und Partikel wirkt (18). Mit ihrer Hilfe soll der Durchtritt von Partikeln verhindert werden. Flimmerhärchen transportieren im gesunden Menschen die Partikel wieder nach draußen. Endokrine Zellen scheiden Serotonin und Peptide aus, mit denen die Geschwindigkeit der Schleimsekretion und Zilienschläge beeinflusst werden kann (19). Sogenannte Clubzellen sezernieren Proteine, die dabei helfen, überschießende Entzündungsvorgänge zu dämpfen. Auch Immunzellen sind in der Lunge vertreten: Alveolarmakrophagen - wanderungsfähige Fresszellen – nehmen Fremdstoffe auf, die in den Alveolarbereich vorgedrungen sind, und machen diese unschädlich (20, 21). Anschließend werden die „gefüllten“ Alveolarmakrophagen mit dem Schleim aus der Lunge hinausbefördert (19). Die Oberfläche der Lunge ist zudem mit einer mikrobiellen Flora, der sog. Mikrobiota besiedelt, die durch Umwelteinflüsse verändert werden kann und einen Einfluss auf die Immunabwehr ausübt (22, 23).

Beim Einatmen wird die Luft zunächst nur durch ein sich ständig weiter verzweigendes Röhrensystem geleitet, an dessen Ende die Alveolargänge liegen, die den eigentlichen Respirationsbereich darstellen. In den Alveolen (Lungenbläschen) erfolgt der Gasaustausch durch Diffusion (21). Die Lunge ist im Bereich der Alveolen in vielen Fachbüchern noch immer wie Weinreben dargestellt. In Wahrheit soll es sich jedoch um ein schwammartiges Gewebe handeln, über dessen feinste Wände der Austausch zwischen der Luft und dem Blut erfolgt. Die mechanischen Wechselwirkungen zwischen den verschiedenen Gewebearten, der strömenden Luft und dem Flüssigkeitsfilm auf dem Gewebe sind komplex (24). Die Alveolen sind aus einschichtigen Alveolarepithelzellen des Typs 1 und 2 aufgebaut.

Typ 1-Zellen bilden in den Lungenbläschen eine dünne Zellschicht, die an die Wandzellen der Lungenkapillar-zellen grenzen. Sie bilden die Blut-Luft-Schranke. Hier erfolgt der Austausch von Sauerstoff und Kohlendioxid. Der Alveolarzelltyp 2 dagegen stellt das Surfactant dar. Das Surfactant besteht aus Lipiden und Proteinen, die die Oberflächenspannung vermindern und das Zusammenfallen und Verkleben der Alveolen beim Ausatmen verhindern (25).



Abb. 3 links: Alveolus mit Kapillarnetz. Rechts: Längsschnitt durch eine Alveole. Gasaustausch am Lungenbläschen.
Quelle: iStock/ttsz


„…Der Fokus zur Weiterentwicklung der humanen Organmodelle sollte immer auf die menschliche Physiologie ausgerichtet werden…“

 

  

Fotos: Dynamic42


Martin Raasch und Dr. Knut Rennert sind Biochemiker, die ihre wissenschaftliche Karriere in der Grundlagenforschung begonnen haben. Hier stellten sie alsbald fest, dass viele Fragestellungen nur in Tiermodellen oder in 2D Standard-Zellkultur bearbeitet werden. Alternativen zum Tierversuch, die nah an die menschliche Physiologie angebunden sind und die einen Mehrwert gegenüber den zuvor genannten Modellen hätten liefern können, gab es nicht.  Die beiden haben daher zusammen mit PD Dr. A.S. Mosig bereits vor beinahe 10 Jahren begonnen, humane Modelle zu entwickeln, die der menschlichen Physiologie nahekommen. InVitro+Jobs sprach mit den beiden Gründern von Dynamic42.


InVitro+Jobs: Was erforscht und entwickelt Dynamic42?

Dynamic42: Zunächst ein recht herzliches Dankeschön für die Intervieweinladung!
Dynamic42 ist spezialisiert auf die Vermarktung und Weiterentwicklung der sog. „Organ-on-Chip“-Technologie (miniaturisierte menschliche Organmodelle auf Biochips). Wir haben bereits innerhalb der AG „INSPIRE“ am Universitätsklinikum Jena ein humanes Leber-, ein Alveolen- und ein Darmmodell entwickelt, bevor wir uns entschieden haben, auszugründen, und sind dabei, weitere wichtige Organe auf dem Chip zu entwickeln, wie z.B. eine neurovaskuläre Einheit (c). Eines unserer Hauptanliegen stellt dabei die Integration des menschlichen Immunsystems in diese Modelle dar. Dadurch lassen sich Nebenwirkungen von Wirkstoffen wesentlich besser darstellen, da das Immunsystem umgehend auf körperfremde Stoffe reagiert. Wir haben bereits Monozyten bzw. Makrophagen sowie T-Zellen in unsere Modelle integriert, haben jedoch auch die Möglichkeit, die Immunzellen durch die Modelle fließen zu lassen. Ähnlich der Situation im Körper können die Immunzellen durch den Blutfluss in Zielgewebe transportiert werden. Demnächst werden wir Effekte von neutrophilen Granulozyten in unseren Organ-Modellen untersuchen. Dies sind generell langfristig geplante Arbeiten, da sich neben den biologischen Etablierungsarbeiten auch die Analysen in solchen 3D-Modellen komplexer gestalten. Eine Publikation ist vielleicht erst in gut zwei-drei Jahren in Sicht. Deshalb kann hier nicht kurzfristig mit einer Veröffentlichung der Ergebnisse gerechnet werden. Alles in allem sind wir im Bereich Immunkompetenz auf einem guten Weg und bereits weit vorangekommen.

InVitro+Jobs: Welche Art Probleme ergeben sich bei der Integration von Immunzellen?

Dynamic42: Probleme ergeben sich sowohl bei der Isolation der Immunzellen als auch bei der Integration in die miniaturisierten Organe. Man muss vorsichtig sein, damit sie nicht im Vorfeld aktiviert werden und Zytokine (d) freisetzen, was dazu führen würde, dass das umgebende Gewebe ggf. durch die Immunreaktion geschädigt wird. Bzw. man muss dafür Sorge tragen, dass die Zellen innerhalb eines mehrschichtigen Organmodells nur dahin migrieren, wo sie auch hingehören.

InVitro+Jobs: Immunzellen scheinen sehr wichtig für Aussagekraft der Modelle sein. Was soll in diesem Zusammenhang das EU-Konsortium imSAVAR leisten?

Dynamic42: Die involvierten Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen wollen die vielen Organ-on-Chip-Modelle, die es bereits gibt, immunkompetent machen, weil das menschliche Immunsystem in den auf humanem Gewebe basierenden Organchips bislang in vielen Studien kaum Berücksichtigung fand.
Zusätzlich sollen auch neue 3D-Modelle entstehen. Ziel ist es, neue Biomarker zu evaluieren und die Wirkungsweisen („mode of actions“) neuer Wirkstoffe und Behandlungsmethoden studieren zu können. Ein Beispiel ist der Einsatz von gentechnisch veränderten T-Zellen im Rahmen der Car-T-Zell-Therapie zur Behandlung von Krebs (e). Ebenso liegen adverse (d.h. schädigende) Wirkmechanismen (Adverse Outcome Pathways (f) im Fokus dieses EU-Projekts.

InVitro+Jobs: Können Sie uns ein Beispiel für beobachtete Nebenwirkungen darlegen, die mit dem herkömmlichen Organ-on-a-Chip-Modell nicht entdeckt worden sind?

Dynamic42: Wir untersuchen z.B. Wirkstoffe in unseren Modellen, die im Tierversuch unauffällig waren, deren Weiterentwicklung jedoch aufgrund von Nebenwirkungen in der klinischen Phase am Menschen abgebrochen werden musste. Zusätzlich vergleichen wir die Effekte dieses Wirkstoffs mit denen eines zugelassenen Wirkstoffs ähnlichen Typs, der eine Marktzulassung erhalten hat. Wir sehen hier z.B. einen Unterschied in der Zytokin-Freisetzung durch gewebeständige (g) Immunzellen.

InVitro+Jobs: Die Modelle, die derzeit mit der Industrie validiert worden sind: sind die demnach unvollständig?

Dynamic42: Die Modelle werden immer unvollständig sein, da wir keinen menschlichen Körper in seiner Gesamtheit im Chip nachbauen werden können, jedoch aber zielgerichtet Schlüsselfunktionen. Die neu entwickelten Modelle werden hinsichtlich der Übertragbarkeit auf den Menschen aussagekräftiger im Vergleich zur derzeitig als Standard geltenden 2D Zellkultur und dem Tierversuch. Im Prinzip werden die Methoden/Modelle, die bislang entwickelt worden sind, immer weiter verfeinert und angepasst. So zeigte sich in den letzten Jahren, dass 3D-Modelle aussagekräftiger sind als 2D-Modelle und Organ-on-a-Chip-Modelle aussagekräftiger als 3D-Modelle von Einzelzellen usw. Sicher haben die entwickelten Modelle auch Nachteile, aber sie sind aussagekräftiger als 2D Zellkulturen unter statischen Bedingungen. Der Fokus zur Weiterentwicklung der humanen Organmodelle sollte immer auf die menschliche Physiologie ausgerichtet werden, das ist unser Antrieb. Besonders das Blut als auch die darin enthaltenen Immunzellen darf man daher in den miniaturisierten Organsystemen auf dem Chip nicht vergessen.

InVitro+Jobs: Das klingt sehr kompliziert. Bieten Sie deshalb ihre Entwicklung als Serviceleistung an, um die Qualitätsstandards am Ende garantieren zu können?

Dynamic42: Man kann in Form der Dienstleistung die Qualität der Produkte am besten kontrollieren. Wir wollen das mittel- bis langfristig erweitern. Zunächst werden wir eine in-house-Plattform zur Standardisierung bereitstellen. Später wollen wir auch Lösungen anbieten, wie Produkte (Kits) zusammen mit einem Training oder am Ende komplett versandfertige Modelle. Aber das ist noch Zukunftsmusik.

InVitro+Jobs: Sie haben, in Kooperation mit weiteren Partnern von InfectoGnostics, ein künstliches Modell eines Lungenbläschens („Alveolus-on-a-Chip“) auf Basis menschlicher Zellen entwickelt. Können Sie das kurz beschreiben?

Dynamic42: Wir haben das künstliche Lungenbläschen aus der Kombination einer menschlichen Lungenepithelzelllinie (NCI-H441) mit primären Makrophagen und Endothelzellen entwickelt. Wir nutzen hierfür einen Biochip mit zwei Zellkulturkammern, die durch eine poröse Membran getrennt sind. Sie simulieren die Luft- und die Blutseite eines Lungenbläschens. Beide Seiten werden über kleinste Mikrokanäle mit Nährmedien versorgt. Die Alveolarzellen werden luftseitig auf den Chip aufgebracht und mit gewebeständigen, vordifferenzierten Makrophagen ko-kultiviert. Blutseitig kultivieren wir Blutgefäßendothelzellen auf dem Chip. Als "Blut" verwenden wir Nährmedium, das auf Endothelzellen und Immunzellen des Bluts (Monozyten) abgestimmt ist. Es würde sonst in den kleinsten Kanälchen verklumpen. Es ist jedoch auch mit Spenderserum versetzt, so dass auch wichtige humane Serumproteine enthalten sind. Im publizierten Fall (16) wurden Viren und Bakterien (Staphylokokken) – eine simulierte Influenza mit bakterieller Superinfektion – über die Luftseite dazugegeben und untersucht, ob das erstellte Gewebe des Alveolen-Modells beeinträchtigt wird. Es zeigte sich, dass die schützende innere Schicht der Blutgefäße, das Endothel, geschädigt wird. Schwerpunkt war unter anderem, ob und wie eine Immunreaktion der Alveolarmakrophagen nach Influenza-Prä-Inkubation und anschließender Zugabe von Staphylokokken verläuft.

Wenn sie nicht gleich auf der Oberfläche von den Makrophagen abgefangen werden, können Fremdpartikel, wie Viren oder Bakterien, luftseitig in die tiefen Lungenbereiche eindringen. Ein Fremdpartikel würde dabei im Luftbläschen von einer Surfactantschicht umschlossen werden. Diese Surfactantmoleküle mit Partikeln werden dann von den Makrophagen erkannt, was zu deren Aufnahme und Zerstörung der Fremdpartikel führt (26).

InVitro+Jobs: Kann man ihr Modell auch für die Covid-19 Forschung nutzen?

Dynamic42: Untersuchungen zum Infektionsverhalten des SARS-CoV-2-Erregers sind prinzipiell möglich. Künftig wollen wir auch Wirkstofftestungen in diesem Modell vornehmen. Hierzu haben wir bereits industrielle Interessenten und haben zur Weiterentwicklung der Modelle bereits Anträge gestellt. Jedoch müsste man in einem Labor der biologischen Sicherheitsstufe 3 arbeiten.

InVitro+Jobs: Wie viele Immunzelltypen können sie in Ihre Alveolus-on-a-Chip-Modelle einbringen?

Dynamic42: Abhängig von der Fragestellung können Einzel- als auch Mischpopulationen an Immunzellen neben den bereits erläuterten Alveolarmakrophagen, wie neutrophile Granulozyten und bestimmte T-Zellen, eingebracht werden.

InVitro+Jobs: Welche Schwierigkeit besteht bei der Integration von T-Zellen?

Dynamic42: T-Zellen müssen permanent perfundiert (d.h. mit einer Flüssigkeit umströmt) werden und man muss eine hohe Anzahl dieser Zellen vorrätig haben, um Effekte erkennen zu können. Auch braucht es eine ganze Weile, bis sich T-Zellen am Gewebe festhalten bzw. ihre Effekte sichtbar werden. Hinzu kommt, dass man sich am Ende sicher sein muss, dass der beobachtete Effekt auch auf die T-Zellen und nicht auf ein Artefakt zurückzuführen ist.

InVitro+Jobs: Ist geplant, die verschiedenen, von Ihnen entwickelten Organ-Chips mit Leber, Darm und Alveolenzellen auch miteinander zu einem Multiorgan-on-a-Chip zu kombinieren?

Dynamic42: Ja, im Prinzip schon. Allerdings nur zwei oder drei Organe miteinander. Wir arbeiten z.B. derzeit an einem Leber-Darm-Modell, die über den Blutkreislauf verbunden sind. Das Modell wird gerade standardisiert. Es sollen aber erst einmal nicht mehr als drei Organtypen sein, da sonst zu viele Zufallsvarianzen entstehen, die sich je nach Anzahl der verbundenen Organmodelle anhäufen können. Hierfür müssen mathematische Modelle entwickelt werden, die den Einfluss dieser unbekannten Faktoren berechnen und herausrechnen können. Derzeit verfügen wir jedoch nicht über ein derartiges mathematisches Modell.
InVitro+Jobs: Inwieweit kann man den Tierversuch mit Ihren Modellen ersetzen?
Dynamic42: Dies ist abhängig vom Einsatzgebiet des Modells. Dies pauschal in Prozentsätzen darzustellen, ist nicht möglich. Wir hoffen, langfristig 10% der präklinischen Tierversuche in der Wirkstoffentwicklung mit unseren Modellen ersetzen zu können, gegebenenfalls wird dies mit fortschreitender Technologieentwicklung auch mehr werden. Wir streben an, dass unsere humanen Modelle als Alternative zum Tierversuch anerkannt werden und einen breiten Einsatz erfahren.  Bei der Arzneimittelentwicklung kann man die Organ-on-a-Chip-Technologie bereits jetzt verwenden, um Vorabinformationen zu gewinnen, womit sich der Tierversuch zumindest reduzieren lässt.
InVitro+Jobs: Wir danken für das Gespräch.

Literatur:

(1) https://dynamic42.com/
(2) https://www.cluster-thueringen.de/aktuelles/news/news-details/news/thueringer-gruenderpreis-2018-in-hoehe-von-75-000-euro-vergeben/
(3) https://www.bm-t.de/2020/das-jenaer-biotechnologieunternehmen-dynamic42-wirbt-sieben-stelliges-investment-ein/
(4) https://eypva.com/de/award/award18/dynamic42/
(5) https://www.thex.de/blog/thueringer-gruenderpreis-2018-das-sind-die-gewinner/
(6) https://www.science4life.de/preistraegerarchiv/?preis_year=2017
(7) https://www.thex.de/innovativ/2017/10/18/innovative-unternehmensstrategien-aus-thueringen-praemiert/
(8) Novak, R., Ingram, M., Marquez, S. et al. (2020). Robotic fluidic coupling and interrogation of multiple vascularized organ chips. Nat Biomed Eng 4, 407–420. https://doi.org/10.1038/s41551-019-0497-x
(9) https://cn-bio.com/cn-bio-to-bring-10-organs-together-on-a-chip-2/
(10) Markus Hoffmann, Hannah Kleine-Weber, Simon Schroeder, Nadine Krüger, Tanja Herrler, Sandra Erichsen, Tobias S. Schiergens, Georg Herrler, Nai-Huei Wu, Andreas Nitsche, Marcel A. Müller, Christian Drosten & Stefan Pöhlmann (2020). SARS-CoV-2 Cell Entry Depends on ACE2 and TMPRSS2 and Is Blocked by a Clinically Proven Protease Inhibitor. Cell 181: 1-10. April 16, 2020. https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.02.052
(11) Zhou P., Yang X., Wang G. et al. (2020). A pneumonia outbreak associated with a new coronavirus of probable bat origin. Nature 579: 270–273. https://www.nature.com/articles/s41586-020-2012-7?proof=trueMay%2F
(12) C. Tikellis & M. C. Thomas (2012): Angiotensin-Converting Enzyme 2 (ACE2) is a Key Modulator of the Renin Angiotensin System in Health and Disease. International journal of peptides 2012, Article ID 256294. https://www.hindawi.com/journals/ijpep/2012/256294/
(13) R&D Systems (2020). ACE-2: The Receptor for SARS-CoV-2 https://www.rndsystems.com/resources/articles/ace-2-sars-receptor-identified
(14) Varga, Z., Flammer, A. J., Steiger, P., Haberecker, M., Andermatt, R., Zinkernagel, A. S., Mehra, M. R., Schuepbach, R. A., Ruschitzka, F. & Moch, H. (2020). Endothelial cell infection and endotheliitis in COVID-19. The Lancet https://doi.org/10.1016/ S0140-6736(20)30937, https://www.thelancet.com/action/showPdf?pii=S0140-6736%2820%2930937-5
(15) https://www.infectognostics.de/infektionsdiagnostik/aktuelles/details/news/superinfektionen-bei-influenza-jenaer-lungenblaeschen-chip-zeigt-wie-bakterien-und-viren-zellbarrie.html
(16) Deinhardt-Emmer, S., Rennert, K., Schicke, E., Cseresnyés, Z., Windolph, M., Nietzsche, S., Heller, R., Siwczak, F., Haupt, K. F., Carlstedt, S., Schacke, M., Figge, M. T., Ehrhardt, C., Löffler, B. & Mosig, A. S. (2020). Co-infection with Staphylococcus aureus after primary influenza virus infection leads to damage of the endothelium in a human alveolus-on-a-chip model. Biofabrication 12/025012, https://doi.org/10.1088/1758-5090/ab7073
(17) Thews, G. & Vaupel, P. (2005): Vegetative Physiologie. Springer Verlag, Heidelberg.
(18) http://flexikon.doccheck.com/de/Respiratorisches_Flimmerepithel
(19) Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M., Roberts; K. & Walter, P.  (2011): Molekularbiologie der Zelle. 5. Auflage. Verlag Wiley Blackwell.
(20) Gordon, S., Daneshian, M., Bouwstra, J. et al (2015): Non-Animal Models of Epithelial Barriers (Skin, Intestine and Lung) in Research, Industrial Applications and Regulatory Toxicology. ALTEX 32 (4): 327-378. DOI: http://dx.doi.org/10.14573/altex.1510051.
(21) Wennemuth, G. (2012): Taschenatlas Histologie. Urban & Fischer, München.
(22) Gollwitzer ES, Saglani, S, Trompette A, Yadava K, Sherburn R, McCoy KD, Nicod LP, Lloyd CM & Marsland BJ (2014):  Lung microbiota promotes tolerance to allergens in neonates DP-L1. Nat Med. 20 (6) :642-647. doi: 10.1038/nm.3568.
(23) Yun, Y, Srinivas, G, Kuenzel, S, Linnenbrink, M, Alnahas, S, Bruce, KD, Steinhoff, U, Bainesm JF & Schaible UE (2014): Environmentally Determined Differences in the Murine Lung Microbiota and Their Relation to Alveolar Architecture. PLOS ONE December 3, 2014. DOI: 10.1371/journal.pone.0113466
(24) https://science.apa.at/rubrik/medizin_und_biotech/Digitales_Lungenmodell_fuer_schonendere_kuenstliche_Beatmung/SCI_20200423_SCI39371351254274450
(25) Speckmann, E.-J., Hescheler, J. & Köhling, R. (2008): Physiologie. Urban & Fischer Verlag, München.
(26) Schicke, E., Cseresnyés, Z., Rennert, K., Vau, V., Haupt, K. F., Hornung, F., Nietzsche, S., Swiczak, F., Schmidtke, M., Glück, B., Koch, M., Schacke, M., Heller, R., Mosig, A. S., Figge, M. T., Ehrhardt, C., Löffler, B. & Deinhardt-Emmer, S. (2020). Staphylococcus aureus Lung Infection Results in Down-Regulation of Surfactant Protein-A Mainly Caused by Pro-Inflammatory Macrophages. Microorganisms 8/577. doi:10.3390/microorganisms8040577

Glossar:

(a) Zell-Reprogrammierung:Mit Hilfe von Transkriptionsfaktoren ist es möglich, somatische Zellen in einen Pluripotenz-Zustand umzuprogrammieren, einen Entwicklungszustand ähnlich wie bei embryonalen Stammzellen (https://www.biocompare.com/Understanding-the-Key-Epigenetic-Processes-in-Cellular-Reprogramming-and-Pluripotency-Building-Future-Therapeutics-6/)
(b)  Mikrofluidik: Verhalten kleiner Mengen von Flüssigkeit auf engstem Raum (https://www.laborjournal.de/editorials/userdoc/585_1.pdf)
(c) neurovaskuläre Einheit: Blutkapillaren, bei denen jedes derfeinen Blutgefäße aus Endothelzellen besteht, die durch extrem dichte »Tight Junctions« miteinander verbunden sind, umhüllt von Perizyten und Astrozyten. In ihrer Gesamtheit bilden sie die Blut-Hirn-Schranke (BHS), auch neurovaskuläre Einheit genannt (https://academic.oup.com/neurosurgery/article/82/6/770/3988111)
(d) Zytokine: Entzündungsbotenstoffe
(e) Car-T-Zell-Therapie:  https://www.novartis.de/stories/entdecken/wie-die-car-t-zell-therapie-funktioniert
(f) Adverse Outcome Pathways: https://de.wikipedia.org/wiki/Adverse_Outcome_Pathway, https://www.oecd.org/chemicalsafety/testing/adverse-outcome-pathways-molecular-screening-and-toxicogenomics.htm
(g) gewebsständig: dem Gewebe zugeordnet