Projekt 060

Optimierung eines zukünftigen Standard-in-vitro-Modells der humanen Blut-Hirn-Schranke

PD Dipl.-Ing. Dr. Winfried Neuhaus & Dr. Marco Metzger
AIT Austrian Institute of Technology GmbH, Wien & Lehrstuhl Tissue Engineering und Regenerative Medizin (TERM), Universitätsklinik Würzburg

07/2016-12/2017

Momentan weisen alle in-vitro-Modelle der humanen Blut-Hirn-Schranke, die auf Primärzellen aus dem Gehirn oder auf immortalisierten Zellen basieren, unzureichende Barriereeigenschaften auf.

Die Blut-Hirn-Schranke reguliert den Stofftransport zwischen dem Blutkreislauf und dem Zentralnervensystem (ZNS). Sie dient als aktives, bidirektionales Filtersystem, das für die Homöostase im ZNS verantwortlich ist. Zudem trägt die Blut-Hirn-Schranke zur Abwehr von Viren und Bakterien bei. Bei vielen Krankheiten (Schlaganfall, Hirntumore, Alzheimer, Epilepsie, Multiple Sklerose, ...) liegt die Blut-Hirn-Schranke verändert vor und ihre Stabilisierung kann zu milderen Krankheitsverläufen beitragen. Zusätzlich spielt sie eine sehr große Rolle für die Arzneistoffforschung und -entwicklung. Viele Arzneistoffe können die Blut-Hirn-Schranke nicht passieren, weil sie als fremdartig erkannt werden, obwohl sie zur Therapie ins ZNS gelangen sollten. Andererseits sollen viele Arzneistoffe, die in der Peripherie wirken, nicht ins ZNS gelangen, um unerwünschte Nebeneffekte zu verhindern.

Momentan weisen alle in-vitro-Modelle der humanen Blut-Hirn-Schranke, die auf Primärzellen aus dem Gehirn oder immortalisierten Zellen basieren, unzureichende Barriereeigenschaften auf. Als Alternative wurden in letzter Zeit Modelle vorgestellt, die auf unterschiedlichsten Typen von Stammzellen beruhen. In diesem Projekt sollen Modelle optimiert werden, die auf einer humanen, induziert pluripotenten Stammzelllinie (hiPS) basieren. Ziel ist es, durch diese Modelle zukünftig mäßig prädiktive Tierversuche in Forschung und Arzneimittelentwicklung ersetzen zu können.

Aus den Stammzellen werden die wichtigsten Zelltypen für die Blut-Hirn-Schranken-Funktionalität generiert und in statischen Transwellmodellen auf ihre Barriereeigenschaften hin untersucht (siehe Abbildung). Astrozyten, Perizyten und neurale Stammzellen können Gehirnendothelzellschichten so beeinflussen, dass sie dem physiologischen Zustand im Körper immer ähnlicher werden. Die Scherkräfte, die durch den Fluss des viskosen Blutes auf die Endothelzellen ausgeübt werden, können zusätzlich Blut-Hirn-Schranken-Eigenschaften induzieren. Dieser Einfluss wird unter Verwendung von dynamischen Flussreaktoren nachgestellt und mit den statischen Transwellmodellen verglichen. Neben der Charakterisierung der Barriereeigenschaften wird der Einsatz dieser Modelle für Langzeitversuche, für Arzneistofftransportuntersuchungen und für Krankheitsmodelle überprüft. Die Anwendungsmöglichkeiten der stammzellbasierten Blut-Hirn-Schranken-Modelle sind sowohl in der Forschung als auch in der Wirkstoffentwicklung sehr weitreichend und haben das Potential, entsprechend der 3R-Prinzipien den Einsatz von Tiermodellen und Zellen, die von Tieren isoliert werden müssen, deutlich zu reduzieren oder in Zukunft auch zu ersetzen.

Die Abbildung zeigt den schematischen Aufbau der humanen in-vitro Blut-Hirn-Schranken-Modelle. Die humanen, induziert pluripotenten Stammzellen werden zu Hirnendothelzellen (HE), neuralen Stammzellen (NS), Astrozyten (AST) und Perizyten (PER) differenziert. Die so hergestellten Hirnendothelzellen bilden im Transwell-Modell auf einer semipermeablen Membran eine dichte Zellbarriere aus. Dieser Prozess wird durch die neuralen Stammzellen, Astrozyten und Perizyten unterstützt, die sich in dem die Hirnseite simulierenden Raum befinden. Im dynamischen, durchflussbasierten Hohlfasermodell werden die Hirnendothelzellen im Innenraum (Lumen) von semipermeablen Kunststoffkapillaren kultiviert, wogegen im Extrakapillarraum (EKR) wiederum neurale Stammzellen, Astrozyten und Perizyten gezüchtet werden und wichtige zur Barrierebildung beitragende Faktoren sezernieren.

Ausführende Institution

AIT Austrian Institute of Technology GmbH
Department Health & Environment, Molecular Diagnostics
Wien, Österreich

Kooperationspartner

Lehrstuhl Tissue Engineering und Regenerative Medizin (TERM)
Universitätsklinik Würzburg, Deutschland

Förderlaufzeit

07/2016 - 12/2017

 Zurück zur Projektliste