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Traumata, Infektionen und Wundheilungsstörungen der Cornea können Narben hinterlassen, die das Sehvermögen beeinträchtigen. Die Entwicklung eines in vitro 3D-Cornea-Modells soll eine Untersuchung neuer Wirkstoffe ohne Tierversuche ermöglichen.

Traumata, Infektionen und Wundheilungsstörungen der Hornhaut (Cornea) können Narben in der optischen Achse hinterlassen, die das Sehvermögen erheblich beeinträchtigen und - im schlimmsten Fall - zur Erblindung führen. Wirksamere Therapien zur Behandlung von Hornhautwunden und insbesondere zur Behandlung von Wundheilungsstörungen wären ein großer Fortschritt in der Augenheilkunde.

Es existieren bereits zahlreiche Methoden zur Testung der Reaktion der Hornhaut auf Chemikalien, Arzneimittel, Kosmetika oder andere Konsumprodukte. Der derzeitige Standard zur Untersuchung auf Augentoxizität ist der Draize-Augentest, bei dem eine Substanz an einem Kaninchenauge getestet wird. Hierbei handelt es sich um eine standardisierte Methode, bei welcher verschiedene Konzentrationen einer Substanz auf das Auge des lebendigen Tiers appliziert werden und anschließend der Befund der Augen zu verschieden Zeitpunkten evaluiert wird. Die Versuchstiere werden nach Abschluss der Testung geopfert.

Das von uns entwickelte 3D-Cornea-Modell besteht aus Epithel und Stroma (Abb. 1), den beiden Schichten, in denen sich die Narbenbildung der Hornhaut hauptsächlich abspielt.

Abb. 1: Aufbau des 3D-Cornea-Modells.

 

 

Für das Stroma werden primäre humane Keratozyten in Typ-1-Kollagen kultiviert. Dieses Hydrogel wird auf eine Dicke von 500 µm komprimiert, um darauf immortalisierte oder primäre humane Epithelzellen auszusäen. Nach einem Tag Wachstum submers im Medium wird die Kultur für 9 Tage als air-lift fortgesetzt. Währenddessen bildet sich ein mehrschichtiges, nicht-verhornendes Plattenepithel aus, das dem Stroma-Ersatz aus Kollagen-Hydrogel fest aufliegt. Ab Tag 12 kann das fertige Modell für das zu untersuchende Szenario verwendet werden, zum Beispiel zur Infektion mit Pathogenen oder zur Simulation eines Wundheilungsprozesses.

Die Besonderheit dieses Modells liegt in der hohen Ähnlichkeit zur natürlichen humanen Hornhaut: Die Oberfläche bildet ein mehrschichtiges nicht-verhornendes Plattenepithel, das histologisch der humanen Hornhaut sehr ähnlich ist und zudem Hornhaut-Epithel-spezifische Marker exprimiert. Die so generierten Cornea-Modelle können für weitere 20 Tage in Kultur gehalten werden. In Vorarbeiten konnten wir eine Unterscheidung aller UN-GHS-Kategorien erreichen.

Ziel dieses Projektes ist eine Adaptation unseres bestehenden 3D-Cornea-Modells zur besseren Untersuchung der Wundheilung der Hornhaut. Hierbei streben wir langfristig die Entwicklung eines standardisierten Testsystems an, aber auch allgemein ein besseres Verständnis der Wundheilung und Narbenbildung der Hornhaut. Dieses Testsystem könnte eine Untersuchung potenzieller Wundheilungs-modulierender Substanzen, deren weitere Erforschung bisher nur im Tierversuch möglich war, ohne ethische Bedenken ermöglichen.

Publikation:
Lotz, C., Kiesewetter, L., Schmid, F. F., Hansmann, J., Walles, H. & Groeber-Becker, F. Replacing the Draize eye test: Impedance spectroscopy as a 3R method to discriminate between all GHS categories for eye irritation. Sci Rep 8, 15049, doi:10.1038/s41598-018-33118-2 (2018).