Ex-vivo-Lebermodell durch 3D-Druck

Die derzeitige Wirkstoffentwicklung basiert in der Regel auf dem Prinzip, neue Substanzen zunächst in zweidimensionalen (2D) Zellkulturen zu testen und dann im Tiermodell näher zu charakterisieren. Dieses Vorgehen ist jedoch mit mehreren Mängeln behaftet. Zellen in einer 2D-Zellkultur repräsentieren in der Regel nicht die Physiologie von Zellen in einem dreidimensionalen (3D) Zellverband, u.a. unterscheidet sich die Genexpression. Die Tiermodelle haben zum einen den Nachteil, dass sich die tierischen Zellen von den menschlichen unterscheiden, zum anderen sind die in vivo Modelle in der Regel mit nicht vertretbarem Leid der Versuchstiere verbunden.
Ziel dieses Projektes war es, humanisierte Organmodelle durch Biodruck zu erstellen. Zunächst wurde ein Lungenmodell gedruckt. Hierbei wurde die Zusammensetzung der Biotinte optimiert. Schließlich konnte mit einem Alginat/Gelatine/Matrigel-Gemisch ein Modell erzeugt werden, in dem die Zellen eine gute dreidimensionale Verteilung und hohe Viabilität hatten. Schließlich wurde das Lungenmodell mit Influenza-A-Viren infiziert. Die Viren replizierten und lösten eine Immunantwort aus.

Abb. 1: Biodruck eines Organmodells (Copyright: Felix Noak).

Abb. 2: Virusausbreitung im 3D Lungenmodell. Die Zellkerne sind blau angefärbt, ein virales Protein ist durch rosa Fluoreszenz sichtbar (aus Berg et al, 2018).

Aus Sicht des Tierschutzes besteht ein kritischer Punkt des Lungenmodells in der Verwendung von Matrigel, einer extrazellulären Matrix, die aus Sarcomen in Mäusen gewonnen wird. In einem weiteren Schritt haben wir daher Matrigel durch eine extrazelluläre Matrix eines menschlichen Spenders ersetzt. Hiermit konnte eine Lebermodell gedruckt werden, das mit humanen Adenoviren infiziert wurde. Diese Viren stellen eine große Gefahr für immunsupprimierte Patienten dar, z.B. nach einer Organtransplantation. Wie auch bei den Influenzaviren im Lungenmodell replizierten die Adenoviren effizient im gedruckten Lebermodell.
Insgesamt konnten in dem Projekt ein Leber- und ein Lungenmodell durch 3D-Biodruck generiert werden. Nach unseren Recherchen in der publizierten Literatur wurden erstmalig gedruckte Organmodelle mit Viren infiziert. Die humanisierten Modelle können nun genutzt werden, um neue antivirale Strategien ohne Tierversuche zu entwickeln.

Aus dem Projekt sind zwei Primärarbeiten und ein Übersichtsartikel hervorgegangen. Die Arbeiten wurden mit dem Preis des Landes Berlin zur Förderung von Ersatz- und Ergänzungsmethoden für Tierversuche in Forschung und Lehre an Dr. Johanna Berg und Prof. Dr. Jens Kurreck gewürdigt.

Publikationen und Preise:
Aus dem Projekt sind zwei Primärarbeiten und ein Übersichtsartikel hervorgegangen. Die Arbeiten wurden mit dem Preis des Landes Berlin zur Förderung von Ersatz- und Ergänzungsmethoden für Tierversuche in Forschung und Lehre an Dr. Johanna Berg und Prof. Dr. Jens Kurreck gewürdigt.
Hiller, T.; Berg, J.; Elomaa, L.; Rohrs, V.; Ullah, I.; Schaar, K.; Dietrich, A.C.; Al-Zeer, M.A.; Kurtz, A.; Hocke, A.C.; Hippenstiel, S.; Fechner, H.; Weinhart, M.; Kurreck, J. (2018) Generation of a 3D Liver Model Comprising Human Extracellular Matrix in an Alginate/Gelatin-Based Bioink by Extrusion Bioprinting for Infection and Transduction Studies. Int. J. Mol. Sci., 19.
Berg, J.; Hiller, T.; Kissner, M.S.; Qazi, T.H.; Duda, G.N.; Hocke, A.C.; Hippenstiel, S.; Elomaa, L.; Weinhart, M.; Fahrenson, C.; Kurreck, J. (2018) Optimization of cell-laden bioinks for 3D bioprinting and efficient infection with influenza A virus. Sci. Rep., 8, 13877.
Weinhart, M., Hocke, A., Hippenstiel, S., Kurreck, J. and Hedtrich, S. (2019) 3D organ models-Revolution in pharmacological research? Pharmacol. Res., 139, 446-451.