Innovative Stammzelltechnologien für die individualisierte Medizin

Öffentliche Bekanntmachung:	2015
Förderzeitraum:	2016 - 2020
Gesamtvolumen:	Ca. 21 Mio. EUR
Vorhabenzahl:	13 Verbünde mit insgesamt 49 Vorhaben

1. Ziel des Förderschwerpunktes

Trotz des breiten Spektrums etablierter medizinischer Verfahren gibt es auch heute für viele Erkrankte noch keine befriedigende Behandlungsmöglichkeit. Eine besondere Herausforde-rung stellt die zunehmende Zahl an degenerativen Erkrankungen dar, für die es, auch auf-grund des Mangels an Spenderorganen, bis jetzt kaum kausale Behandlungsoptionen gibt. Innovative Stammzell-Technologien bieten hier ein enormes Potential, für die Entwicklung neuer, maßgeschneiderter zellbasierter Therapien als auch für die Schaffung menschlicher Krankheitsmodelle auf der Basis von in vitro erzeugten Geweben und Organoiden. Solche in vitro-Modelle können sowohl für die Erforschung der molekularen Pathologie als auch für die Wirkstoffentwicklung von großem Wert sein. Wirksamkeit und unerwünschte Nebenwirkun-gen von Arzneimitteln können vorab für bestimmte Patientengruppen oder einzelne Erkrankte getestet werden und so zu der dringend benötigten Effektivitätssteigerung in der Medika-mentenentwicklung beitragen. Die Fördermaßnahme soll helfen bestehende Hürden für die medizinische Nutzung innovativer Stammzelltechnologien zu überwinden und damit das Po-tenzial neuer Stammzelltechnologien für die individualisierte Medizin zu erschließen.

2. Stand der Fördermaßnahme

Die Fördermaßnahme läuft über drei Jahre. Insgesamt werden 49 Vorhaben gefördert, die in 13 Verbünden kooperieren. Die ersten Vorhaben haben im November 2016 begonnen, die letzten werden im April 2017 starten.

3. Geförderte Vorhaben

Verbundprojekt: micro-iPS-Profiler

Derzeit beruht die Vorhersage der therapeutischen Wirksamkeit von Medikamenten auf Untersuchungen im Zellkultur- und Tiermodell. Beide Modelle decken die Situation im Menschen mit seinem komplexen genetischen Hintergrund nur unvollkommen ab. Daher auftretende falsche Vorhersagen können zu enormen Kosten beim Hersteller und Gesundheitsschäden beim Patienten führen. Mikrofluidik wird zunehmend als eine Technologie wahrgenommen, mit der Organe des Menschen und ihre Funktionen im Labor imitiert werden können. Da die Mikrofluidik auch die organähnliche Versorgung der Organmodelle erlaubt, können Testsysteme für die Wirkstoffforschung realisiert werden. Mit dem Micro-iPS-Profiler wird die Ausbildung organähnlicher Strukturen aus Abkömmlingen von induzierten pluripotenten Stammzellen (iPS) von bestimmten Patientengruppen in einem mikrofluidischen Chip ermöglicht. Damit kann die Wirkstoffforschung hier am Beispiel der Organe Leber und Niere automatisiert und individualisiert durchgeführt werden. Der Chip wird eine präzise steuerbare Zuführung der Wachstumsmedien und eine Abführung der Stoffwechselprodukte ermöglichen. Die Integration einer entsprechenden Sensorik, z. B. für die optische Messung von Sauerstoff und pH-Wert, wird ein optimiertes Prozessmonitoring erlauben. Der automatische Betrieb durch das iPS-Profiler-Betriebsgerät wird einen nutzerunabhängigen und zuverlässigen Einsatz des Systems und eine Parallelisierung der funktionellen Einheiten ermöglichen. Somit lässt sich schließlich auch ein Hochdurchsatz erreichen, wie er im industriellen Umfeld erforderlich ist.
Im Verbund „micro-iPS-Profiler“ arbeiten vier Arbeitsgruppen der Microfluidic ChipShop GmbH, des Universitätsklinikums Jena, der Universität Heidelberg und der Charité - Berlin an der Lösung dieser Aufgabe. Am Ende des Vorhabens wird ein funktionierender und validierter Demonstrator eines kombinierten Leber-Nieren-Modells aus dem Chip vorliegen. Dieses System soll Patienten-individuelle Organ-on-Chip-Systeme und damit den Weg zu einer individualisierten Arzneimitteltherapie ermöglichen.

iPS-Profiler Plattform - Chip & Betriebsgerät 

Microfluidic ChipShop GmbH Stockholmer Str. 20 07747 Jena

Leiter: Tel.: FKZ: Betrag: Laufzeit:

Dr. Holger Becker 03641 3470580 01EK1612A 735.427 EUR 01.11.2016 - 31.10.2019

Mit Hilfe der Mikrofluidik können Organe des Menschen imitiert werden, um Lebensfunktionen des menschlichen Organismus im Labor nachzuempfinden und so Testsysteme für die Wirkstoffforschung zu realisieren, denn die Mikrofluidik erlaubt die organähnliche Perfusion der Organmodelle. Mit dem Micro-iPS-Profiler wird die Ausbildung Organ-ähnlicher Strukturen aus Derivaten von induzierten pluripotenten Stammzellen von bestimmten Patientengruppen in einem mikrofluidischen Chip ermöglicht. So kann im Anschluss Wirkstoffforschung automatisiert und individualisiert durchgeführt werden. Der Chip wird durch Implementation entsprechender Module eine präzise steuerbare Medienzuführung und eine Abführung der Stoffwechselprodukte ermöglichen. Eine Sensorik für die optische Auslese von Sauerstoff und pH-Wert wird ein optimiertes Prozessmonitoring erlauben, wobei der automatische Betrieb durch das iPS-Profiler-Betriebsgeräte einen nutzerunabhängigen und zuverlässigen Einsatz des Systems und eine Parallelisierung der funktionellen Einheiten ermöglichen wird, so dass schließlich auch ein Hochdurchsatz erreicht werden kann, um im industriellen Umfeld akzeptiert zu werden. Zudem werden durch die Automatisierung durch das Betriebsgerät Anwender-unabhängige Ergebnisse generiert, wodurch Standards generiert und ein Referenzsystem geschaffen werden können.

 

Funktionalisierung der iPS-Zelllinien und Organoid Design

Universitätsklinikum Jena Klinik für Innere Medizin III Experimentelle Nephrologie Am Nonnenplan 2 07743 Jena

Leiter: Tel.: FKZ: Betrag: Laufzeit:

Prof. Dr. Ralf Mrowka 03641 93-96600 01EK1612B 1.108.561 EUR 01.11.2016 - 31.10.2019

Ein Ziel ist es, die patientenspezifischen oder krankheitsspezifischen iPS-Zellen mit Reportergenen zu versehen (zu funktionalisieren). Grundlage für diese Aktivitäten ist die Arbeitshypothese, dass sich Reportergene für das Screening auf gewünschte Therapieeffekte oder zur Offenlegung von Nebeneffekten eignen, denn sie können die Aktivierung von spezifischen Stoffwechselwegen anzeigen. So können sie dazu dienen, neue Medikamente zu finden und somit zum Beispiel Nierenkrankheiten besser zu behandeln. Es werden wirkstoff-spezifisch aktivierbare Genschalter vor sogenannte Reportergene in das Erbgut (DNA) der iPS-Zellen gebracht, die dann im Weiteren die erfolgreiche Medikamentenwirkung optisch anzeigen können. Die generierten Zelllinien werden zu gewebespezifischen Zellen differenziert. Weiterhin soll ein Organ-on-chip Modell der Leber und der Niere auf Basis der von den Verbundpartnern generierten Zellen etabliert werden, das die Interorgan-Kommunikation von gesunden Probanden und von Patienten simuliert. Dabei wird das Leberorganoid aus Hepatozyten und Endothelzellen bestehen, welche immunregulatorische Makrophagen und Sternzellen umfassen. Das Nierenorganoid wird Einheiten aus Glomerulus-Zellen sowie proximale und distale Tubulus-Zellen enthalten, welche im Konzert Funktionen einer humanen Niere widerspiegeln können. Es soll untersucht werden, wie in einer mikrofluidischen Plattform mehrschichtig aufgebaute Leber- und Nierenorganoide miteinander über das zirkulierende Medium kommunizieren. Das mikrofluidische, iPS-basierte Multiorgan-Chip System soll anhand von geeigneten Referenz-Therapeutika getestet und hinsichtlich seines Prädiktionspotenzials für Wirkstoffe charakterisiert und validiert werden. Ein weiterer Aspekt wird die Überprüfung der Verlässlichkeit der on-chip-Zellkultivierung sein.

 

Optimierung und Validierung für die Wirkstoffprüfung

Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg Fakultät für Biowissenschaften Institut für Pharmazie und Molekulare Biotechnologie Abt. Pharmazeutische Biologie Im Neuenheimer Feld 364 69120 Heidelberg

Leiter: Tel.: FKZ: Betrag: Laufzeit:

Prof. Dr. Stefan Wölfl 06221 54-4878 01EK1612C 317.864 EUR 01.11.2016 - 31.10.2019

Die Hauptaufgabe ist die Prüfung und Validierung des Mikrofluidischen-Multiorgan-Chip Systems als multimodale Testplattform für die individualisierte Wirkstoffprüfung. Diese wird ergänzt durch verschiedene Teilaufgaben, die eine verlässliche Kultivierung und einfache Überprüfung der Funktionalität der Zellen im iPS-Profiler Mikrofluidischen-Multiorgan-Chip System ermöglichen. In einem ersten Schritt werden dazu geeignete pharmakolgische Wirkstoffe ausgewählt, insbesondere Arzneistoffe, die einer starken Metabolisierung unterliegen und zumindest teilweise toxische Wirkungen aufweisen, oder stark mit anderen Wirkstoffen interagieren. Der nächste Schritt ist die Optimierung der Kultivierungsbedingungen, um gewebespezifische, metabolische Aktivität der Zellen zu erreichen. Ein besonderer Schwerpunkt ist hier eine verlässliche Kultivierung über längere Zeiträume, damit unterschiedliche Wirkmechanismen, wie sofortige Wirkungen und verzögerte Wirkungen erfasst werden können. Der letzte Schritt der Arbeiten ist es, Kultivierungsmethoden im iPS-Profiler Mikrofluidischen-Multiorgan-Chip System zu etablieren, in denen Wirkungen gemessen werden können, die denen entsprechen, die in vivo zu erwarten sind. Weitere Aspekte sind individuelle Überprüfung des Wirkstoffmetabolismus, die Rolle des zellulären Energiemetabolismus für Arzneistoffwirkungen, sowie der Einfluss einzelner Medienkomponenten auf die Wirkung von Arzneistoffen.

 

Differenzierung humaner iPS-Zellen

Charité - Universitätsmedizin Berlin Berlin-Brandenburg Center für Regenerative Therapien (BCRT) Augustenburger Platz 1 13353 Berlin

Leiter: Tel.: FKZ: Betrag: Laufzeit:

Dr. Andreas Kurtz 030 450-539424 01EK1612D 375.832 EUR 01.11.2016 - 31.10.2019

Das Ziel des Teilprojektes ist die Bereitstellung differenzierter gewebespezifischer Zellen, die aus humanen induziert pluripotenten Stammzellen (iPS-Zellen) generiert werden. Das Teilprojekt stellt somit das Ausgangsmaterial für die Etablierung von Orgenoiden auf einem Chip her. Dazu werden iPS-Zellen sowohl von gesunden Spendern als auch von Patienten mit Nierenerkrankungen, wie beispielsweise Filtrationsdefiziten, generiert. Insbesondere werden Krankheiten ausgewählt, denen krankheitsauslösende Defekte in Ionenkanälen oder Molekülpumpen zu Grunde liegen (beispielsweise Sodium und/oder Kalium Kanäle, Wasserpumpen, Glukosepumpen). Um die Nierenzellen herzustellen, werden Technologien genutzt, die im Labor entwickelt wurden und mit denen alle wesentlichen Zelltypen der Niere differenziert werden können - sowohl durch gerichtete Differenzierung als auch über die Etablierung von Nierenorganoiden.

 

Verbundprojekt: MAIV - Modellierung von ALS im Labor

Amyotrophe Lateral Sklerose (ALS) ist eine seltene, bislang nicht heilbare degenerative Erkrankung des motorischen Nervensystems. Die Ursache der Erkrankung ist unklar. Die Überlebenszeit beträgt im Mittel etwa 3-5 Jahre nach der Diagnose. Eine Ursache für die unbefriedigende Behandlungssituation ist das Fehlen guter Krankheitsmodelle. Mit Hilfe von induzierten pluripotenten Stammzellen können nun aussagekräftige in vitro-Krankheitsmodelle bereitgestellt werden, um die Ursachen der Erkrankung eingehender zu untersuchen und neue Therapieoptionen zu testen. Im interdisziplinären Konsortium „MAIV“ werden Zellen von ALS-Patientinnen und -Patienten in die bei dieser Krankheit spezifisch betroffenen Nerven- und Muskelzellen umprogrammiert. Bei Ko-Kultivierung werden die defekten Verbindungen zwischen diesen Zelltypen ausgebildet, die funktionell untersucht und mit Tiermodellen sowie gesunden Kontrollen verglichen werden. Der Einfluss von mit ALS assoziierten Mutationen auf das Krankheitsbild wird ermittelt. Schließlich sollen potenzielle Wirkstoffe im Ko-Kultur-Modell hinsichtlich einer funktionellen Verbesserung getestet werden.

Modellierung von ALS durch direkte Umprogrammierung

Ludwig-Maximilians-Universität München Institut für Physiologie Lehrstuhl für physiologische Genomik Schillerstr. 46 80336 München

Leiterin: Tel.: FKZ: Betrag: Laufzeit:

Prof. Dr. Magdalena Götz 089 2180-75255 01EK1611A 373.989 EUR 01.02.2017 - 31.01.2020

Es werden Fibroblasten oder Keratinozyten von amyotrophe Lateralsklerose (ALS) Patienten und Kontrollpersonen in Motoneurone und Muskelzellen reprogrammiert. Motoneurone werden durch Expression der neurogenen Transkriptionsfaktoren Neurog2 und Ascl1 induziert und mit Muskelzellen, die aus Fibroblasten mittels des Transkriptionsfaktors MyoD differenziert wurden, ko-kultiviert. In Zellkultur bilden Motoneurone neuromuskuläre Endplatten auf den Muskelzellen aus. Dies erlaubt das Überleben und die Funktion der Motoneurone aus Patienten mit jener von gesunden Probanden zu vergleichen. Vorteil ist, dass die reprogrammierten Neurone das zelluläre Alter der Ursprungszellen beibehalten - im Gegensatz zu Neuronen, die über induzierte pluripotente Stammzellen gewonnen werden. Die folgende vergleichende Analyse dieses Schaltkreises aus Kontroll- und Patientenzellen fokussiert auf folgende Parameter: a) Motoneuronzahl und deren Überlebensrate, b) neuronale Morphologie und Messungen der Länge und Verzweigung von Dendriten und Axonen, c) Größe und Physiologie der neuromuskulären Endplatte, d) Reaktion und Kontraktion der Muskelfasern. Durch Vergleich mit Schaltkreisen, die aus induzierten pluripotenten Stammzellen (iPS) abgeleitet und damit verjüngt sind, erlauben diese Untersuchungen höchst wichtige Einblicke in die altersabhängigen Mechanismen der ALS Erkrankung. Es werden stärkere Defekte bei Zellen aus Patienten mit einem schnelleren Verlauf der Krankheit erwartet und versucht, diese Defekte in Zellkultur durch Gabe von Antioxidantien, Überlebensfaktoren und Molekülen zu beheben.

 

Phänotypisches Screening von neuen niedermolekularen Verbindungen zur Stärkung der direkten Reprogrammierungs-Effizienz und Prävention von Motorneuronen vor dem Zelltod

Helmholtz Zentrum München Deutsches Forschungszentrum für Gesundheit und Umwelt (GmbH) Institut für Entwicklungsgenetik (IDG) Ingolstädter Landstr. 1 85764 Neuherberg

Leiter: Tel.: FKZ: Betrag: Laufzeit:

Prof. Dr. Wolfgang Wurst 089 3187-4110 01EK1611B 398.775 EUR 01.02.2017 - 31.01.2020

Die Hypothese ist, dass neuartige Formen des regulierten nekrotischen Zelltodes (z. B. Ferroptose) die direkte Reprogrammierungseffizienz von Motoneuronen (MN) aus Fibroblasten hemmen. Es wird davon ausgegangen, dass diese regulierten nekrotischen Zelltod-Abläufe zum Motoneuronen-Sterben in Amyotrophe Lateralsklerose (ALS) Patienten beitragen. Indem neu etablierte in vitro Reprogrammierungs-Assays in Maus- und in von Patienten gewonnenen Proben verwendet werden, wird nach Substanzen gesucht, welche die Umwandlungseffizienzen in Motoneurone positiv oder negativ modulieren und/oder den Zelltod von Motoneuronen verhindern können.

 

Untersuchung von zeitabhängigen Axon/Muskel Kontakten und Bildung von reifen neuromuskulären Endplatten zwischen humanen Motoneuronen

Universität Ulm Medizinische Fakultät Institut für Anatomie und Zellbiologie Albert-Einstein Allee 11 89081 Ulm

Leiter: Tel.: FKZ: Betrag: Laufzeit:

Prof. Dr. Tobias Böckers 0731 5023220 01EK1611C 419.542 EUR 01.02.2017 - 31.01.2020

Die Krankheit amyotrophe Lateralsklerose (ALS) ist modellhaft durch die Reproramierung von humanen Keratinocyten (von betroffenen Patienten) in induzierte pluripotente Stammzellen (iPS) und die anschließende Differenzierung in funktionsfähige Motoneuronen und Muskelzellen darzustellen. Die Bildung sowie die Stabilisierung und molekulare Zusammensetzung der neuromuskulären Endplatten (NMJ) soll mit Hilfe dieses Modells analysiert werden.

 

Verbundprojekt: Stabil-Ice

Beim Einsatz von humanen Zellen, z. B. für die Medikamententestung, gibt es aktuell verschiedene Engpässe. So sind menschliche Nerven-, Herz- oder Leberzellen nicht leicht zu erhalten, zu vermehren oder zu konservieren. Dies bedingt, dass für Tests und Experimente oft Zellmaterial von unterschiedlichen Patienten herangezogen wird. Dadurch wird jedoch die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse erschwert und damit ihre Aussagekraft gemindert.
Das Vorhabenziel des Stabil-Ice Verbundes ist die Umgehung dieser Engpässe am Beispiel neuronaler Zellen. Dazu sollen zunächst (patienten)spezifische induzierte pluripotente Stammzellen hergestellt werden, die sich beliebig vermehren lassen. Aus diesen Zellen können im Anschluss z. B. Nervenzellen gleichbleibender Qualität abgeleitet werden. Des Weiteren werden diese Zellen auf einem Chip (Einwegartikel) angesiedelt, der sowohl für die Generierung, Kultivierung, Reifung und auch für die eiskristallfreie Lagerung bei tiefkalten Temperaturen (Kryokonservierung) dieser Zellsysteme geeignet ist. Dadurch wird das aktuell noch erforderliche Ablösen der auf Oberflächen angewachsenen Zellen vor einer Kryokonservierung obsolet. Zudem kann das zeitaufwändige erneute Aussäen und die darauf folgende Anwachs- und Kultivierungsphase der aufgetauten Zellen umgangen werden. Somit ermöglicht der Stabil-Ice Einwegartikel die Lagerung funktionaler, festgewachsener, neuronaler Zellen, die innerhalb von Stunden einsatzbereit sind. Dadurch können Medikamentenentwicklung medizinische Forschung oder Screening-Anwendungen zeit- und kosteneffizienter und in reproduzierbarer Qualität durchgeführt werden.
Im Verbund „Stabil-Ice“ arbeiten zwei Arbeitsgruppen des Fraunhofer-Instituts für Biomedizinische Technik (IBMT) und der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg an der Lösung dieser Aufgabe. Am Ende des Vorhabens wird der Prototyp eines Einweg-Biochips stehen, der in standardisierter Art und Weise Forschungen mit humanen Zellen gleichbleibender Qualität ermöglicht. Durch die Bereitstellung von beliebig großen Mengen einheitlichen, standardisierten Zellmaterials kann ein Engpass in der Arzneimittelentwicklung behoben werden.

Einwegartikel zur Kryokonservierung und für Hochdurchsatzuntersuchungen

Fraunhofer-Institut für Biomedizinische Technik (IBMT) Joseph-von-Fraunhofer-Weg 1 66280 Sulzbach

Leiterin: Tel.: FKZ: Betrag: Laufzeit:

Dr. Ina Meiser 06897 9071-166 01EK1609A 700.000 EUR 01.12.2016 - 30.11.2019

Das Vorhaben beschäftigt sich mit der Entwicklung eines neuartigen Einwegartikels für Arbeitsabläufe mit neuronalen (Vorläufer-) Zellen im Rahmen der Forschung an degenerativen Erkrankungen, wie zum Beispiel Parkinson. Dieser Stabil-Ice Einwegartikel wird sowohl für die Generierung, Kultivierung, Reifung wie auch für die eiskristallfreie Lagerung bei tiefkalten Temperaturen (Kryokonservierung) dieser Zellsysteme entworfen. Dadurch wird das standardmäßige Ablösen der adhärent wachsenden Zellen durch enzymatischen Verdau vor einer Kryokonservierung obsolet und zudem kann das zeitaufwändige erneute Aussäen und die darauf folgende Anwachs- und Kultivierungphase aufgetauter Zellen umgangen werden. Der Stabil-Ice Einwegartikel ermöglicht die Lagerung funktionaler, adhärenter, neuronaler (Vorläufer-) Zellen. Diese sind nach dem Auftauen innerhalb von Stunden einsatzbereit für die Medikamentenentwicklung, medizinische Forschung oder Screeninganwendung im Hinblick auf neurodegenerative Erkrankungen.

 

Zellbasierte Arbeitsschritte

Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg Interdisziplinäres Zentrum für Klinische Forschung (IZKF) Maximiliansplatz 2 91054 Erlangen

Leiterin: Tel.: FKZ: Betrag: Laufzeit:

Dr. Beate Winner 09131 85-39301 01EK1609B 254.726 EUR 01.12.2016 - 30.11.2019

Das Ziel dieses Teilprojekts ist es, die zeitlichen Restriktionen bei der Aufbewahrung von humanen Stammzellkulturen und ihren Derivaten durch Kühltechniken zu überwinden. Gut charakterisierte humane induzierte pluripotente Stammzellen (hiPSC), sowie von diesen Zellen abgeleitete neurale Vorläuferzellen (smNPC) und Neurone von Parkinson Patienten und Kontrollen werden generiert, um diese vor und nach spezifischen Kühlverfahren (Vitrifikation) zu testen. Zu diesem Zweck werden die Protokolle für die neurale Differenzierung entsprechend optimiert und für die Vitrifikation validiert. Im nächsten Schritt werden diese neuralen Zellen vor und nach Vitrifikation für die Modellierung neurodegenerativer Erkrankungen getestet.

 

Verbundprojekt: Blut-Hirn-Schranken-Modelle zur Wirkstoffentwicklung für Alzheimer

Zwischen dem Blutsystem und dem Zentralnervensystem (ZNS) besteht eine wichtige Barriere – die Blut-Hirn-Schranke (BHS). Hauptsächlich dient die BHS der Aufrechterhaltung der Homöostase des ZNS sowie dem Schutz vor neurotoxischen Substanzen und Pathogenen. Sie ist daher von großer Bedeutung für eine Vielzahl von Erkrankungen. Ein Problem in der Medikamentenentwicklung ist, dass viele Wirkstoffe nicht in ausreichender Konzentration die BHS überwinden, um an ihren Wirkort zu gelangen. Hier stellt die Modellierung der BHS im Labor einen Engpass dar. In dem interdisziplinären Verbundprojekt „HiPSTAR“ werden unter Einsatz von Stammzellen BHS-Modelle hergestellt und für Hochdurchsatz-Untersuchungen auf einem Biochip miniaturisiert. Durch Ko-Kultur des BHS-Modells mit Leberzellen kann auch die Wirkung der Abbauprodukte von Medikamenten überprüft werden. Die mit dem Modell ermittelten Daten werden mit denen aus Tierversuchen abgeglichen. Eine auf diesen Ergebnissen aufbauende Computersimulation soll Vorhersagen zur Durchtrittsfähigkeit von Stoffen durch die BHS und ihrer Wirksamkeit ermöglichen.

Etablierung von Blut-Hirn-Schranken-Modellen

Universitätsklinikum Würzburg Lehrstuhl für Tissue Engineering und Regenerative Medizin Röntgenring 11 97070 Würzburg

Leiter: Tel.: FKZ: Betrag: Laufzeit:

Dr. Marco Metzger 0931 31-86686 01EK1608A 314.530 EUR 01.02.2017 - 31.01.2020

Die Blut-Hirn-Schranke (BHS) stellt eine der dichtesten und wichtigsten Barrieren im Zentralnervensystem dar. Es besteht ein hoher Bedarf an klinisch relevanten in vitro Testsystemen in der Grundlagen- sowie präklinischen Forschung. Das Ziel des Gesamtvorhabens ist daher die Weiterentwicklung und Validierung neuer in vitro BHS-Modelle, basierend auf humanen pluripotenten Stammzellen (hiPS). Im vorliegenden Vorhaben werden Prozessparameter entwickelt, die für die Entwicklung von funktionalen humanen BHS-Modellen relevant sind. Zunächst werden hierfür standardisierte Modelle auf Basis etablierter hiPS-Linien aufgebaut. Dies schließt sowohl die Implementierung relevanter neurovaskulärer Zelltypen (d.h. Endothelzellen, Astrozyten, Perizyten und neurale Progenitoren), die Adaption der Zellträgermatrix sowie die Kulturbedingungen (statisch, dynamisch) mit ein. Schließlich werden neuartige genetisch modifizierte Alzheimer hiPS-Klone im Transwelltestsystem evaluiert. Ziel ist die Bereitstellung klinisch relevanter in vitro Testsysteme für die Grundlagen- sowie die präklinische Forschung.

 

Erstellung von Hochdurchsatzscreening-kompatiblen In vitro Alzheimer Blut-Hirn-Schranke-Modellen

Fraunhofer-Institut für Molekularbiologie und Angewandte Oekologie (IME) Institutsteil IME-SP (IME-SP) Schnackenburgallee 114 22525 Hamburg

Leiter: Tel.: FKZ: Betrag: Laufzeit:

Dr. Ole Pleß 040 303764-233 01EK1608B 380.986 EUR 01.02.2017 - 31.01.2020

Das Ziel des Gesamtvorhabens ist die Entwicklung und Validierung von neuartigen, auf humanen induzierten pluripotenten Stammzellen (hiPSC)-basierenden in vitro Blut-Hirn-Schranke (BHS) Modellen, für welche ein dringender Bedarf sowohl in der Grundlagen- und medizinischen Forschung als auch in der Pharmaindustrie besteht. Im Teilprojekt werden die etablierten iPSC-basierten BHS Modelle zu High-Throughput-Screening (HTS) kompatiblen Formaten weiterentwickelt. Bei der Miniaturisierung werden zwei verschiedene Strategien verfolgt: Erstens die Verwendung eines Modells mit niedriger Komplexität, bestehend aus Präparationen reiner Endothelzellen und zweitens die Verwendung von aufwändigen Co-Kultur Systemen aus Endothelzellen, Perizyten, Astrozyten und neuronalen Vorläuferzellen (NPCs). Der zweite Entwicklungsschritt ist die Testung dieser BHS Modelle auf ihre Durchlässigkeit für eine Reihe von zugelassenen Arzneistoffen mit bekanntem Wirkmechanismus. Im dritten Abschnitt wird die "gesunde" in vitro Blut-Hirn-Schranke mit proinflammatorischen Mediatoren und/oder Aß-Oligomeren behandelt, sodass ein lokales Milieu entsteht, welches unter anderem bei der Alzheimerschen Erkrankung gefunden wird. Im letzten Abschnitt werden die etablierten Assays auf weitere neuartige, hiPSC-basierende BHS Modelle übertragen, um so eine allgemeine Anwendbarkeit der Verfahren zu dokumentieren.

 

Erstellung patientenspezifischer iPS Zellen und isogener iPS Zellkorrelate

Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg Medizinische Fakultät und Universitätsklinikum Psychiatrie, Psychotherapie und Psychosomatik Julius-Kühn-Str. 7 06112 Halle

Leiter: Tel.: FKZ: Betrag: Laufzeit:

Prof. Dan Rujescu 0345 5573651 01EK1608C 310.697 EUR 01.02.2017 - 31.01.2020

Die geplanten Arbeiten wollen untersuchen welche Rolle die Bluthirnschranke bei der Entstehung, dem Verlauf und der Behandlung der Alzheimer-Krankheit spielt. Hierfür sollen krankheitsspezifische Stammzellmodelle eingesetzt werden. Das Stammzellmodell imitiert mögliche molekulare Krankheitsmechanismen. Im Vorhaben werden von Alzheimer-Patienten Zellen entnommen und zu Stammzellen transformiert. Aus diesen werden wiederum verschiedene Nervenzellen und auch andere Zellen gebildet, die den Zellen an der Blut-Hirnschranke im menschlichen Gehirn sehr ähnlich sind. Die aus Stammzellen generierten Zellen werden hinsichtlich ihres Krankhaften Phänotyps studiert und untersucht. Die gegenwertig wenig verstandenen Krankheitsmechanismen der Alzheimer-Erkrankung sollen dadurch genauer charakterisiert werden.

 

Mechanistische in silico Simulation der Funktion und Permeabilität der Blut-Hirn-Schranke

INSILICO biotechnology AG Meitnerstr. 9 70563 Stuttgart

Leiter: Tel.: FKZ: Betrag: Laufzeit:

Dr. Lothar Terfloth 0711 460594-34 01EK1608D 262.632 EUR 01.02.2017 - 31.01.2020

Die Blut-Hirn-Schranke (BHS) stellt eine der dichtesten und wichtigsten Barrieren im Zentralnervensystem dar. Es besteht ein hoher Bedarf an klinisch relevanten in vitro-Testsystemen in der Grundlagen- sowie präklinischen Forschung. Dieses Vorhaben zielt auf die Entwicklung prädiktiver in silico-Netzwerkmodelle zur Simulation der Blut-Hirn-Schranke und ihrer Permeabilität ab. Dabei wird auf die von den Verbundpartnern gewonnenen Daten aus in vitro-Permeationsassays aufgebaut. Targets, die die Funktion der Blut-Hirn-Schranke modulieren, werden mittels Simulation der Netzwerkmodelle identifiziert. Ein in silico-Modell zur Vorhersage der Permeabilität von Wirkstoffen über die BHS wird ebenfalls entwickelt. Das Ziel ist es, individualisierte, prädiktive mechanistische Netzwerkmodelle für die Zellen der BHS insbesondere im Hinblick auf ihre Permeabilität zu erstellen. Ferner werden durch Analyse und Simulation dieser Netzwerkmodelle unter Berücksichtigung der von den Projektpartnern gewonnenen experimentellen Daten zelluläre Targets identifiziert, die die Permeabilität durch die BHS modulieren. Abschließend werden "Qualitative Structure Property Relationship" (QSPR) Modelle für die BHS aus Literaturdaten und den im Projekt gewonnenen Permeabilitätsdaten erstellt, die die Struktur von Wirkstoffen mit ihren Eigenschaften verknüpfen.

 

Entwicklung eines mikrofluidischen Blut-Hirnschranke (BHS)-Leber-Modells auf dem Chip

TissUse GmbH Oudenarder Str. 16 13347 Berlin

Leiter: Tel.: FKZ: Betrag: Laufzeit:

Dr. Uwe Marx 030 513026400 01EK1608E 247.957 EUR 01.02.2017 - 31.01.2020

Es wird ein mikrofluidisches System für die Langzeit-Kokultur humaner Blut-Hirn-Schranken (BHS)-Modelle mit humanen Leberäquivalenten auf der Basis der existierenden Multi-Organ-Chip (MOC) Technologie entwickeln. Substanzexposition in einem solchen Kokultur-System soll dann die Bildung von Lebermetaboliten, deren Verfügbarkeitstestung in der BHS als auch deren direkte Testung auf neurotoxikologische Effekte erlauben. Weiterhin wird ein Langzeittest für die wiederholte tägliche Exposition des Kokultursystems gegenüber relevanten Arzneimittelkandidaten etabliert.

 

Prävalidierung von Blut-Hirn-Schranken-Modellen

Pharmacelsus GmbH Science Park 2 66123 Saarbrücken

Leiterin: Tel.: FKZ: Betrag: Laufzeit:

Dr. Ursula Müller-Vieira 0681 3946-7521 01EK1608F 196.594 EUR 01.02.2017 - 31.01.2020

Das Ziel des Gesamtvorhabens ist die Entwicklung und Validierung neuer in vitro-hiPSC (human inducible pluripotent stem cell lines) basierender Blut-Hirn-Schranken (BHS) - Modelle für die ein dringender Bedarf sowohl in der Grundlagen- und medizinischen Forschung als auch in der pharmazeutischen Industrie besteht. Im Teilprojekt wird Pharmacelsus Prävalidierungsstudien der neuen in vitro-BHS-Modelle durchführen. Dabei werden die mittels der Modelle ermittelten Daten hinsichtlich ihrer Reliabilität und Übertragbarkeit auf die Situation im Menschen geprüft. Zur Testung der Leistungsfähigkeit der neuen in vitro-BHS-Systeme werden ausgewählte Alzheimer Wirkstoffe als Referenzen im Modell im Vergleich zu bei Pharmacelsus etablierten in vitro-Permeationsassays (in vitro BHS, PAMPA, Caco2) sowie in vivo-BHS-Testung eingesetzt. Nach erfolgreicher Prävalidierung wird Pharmacelsus das neue Testverfahren in sein Serviceportfolio integrieren und damit der Pharmazeutischen Industrie ein prädiktives in vitro-BHS-Modell zum selektiven Screening neuer Wirkstoffe für das zentrale Nervensystem (ZNS) zur Verfügung stellen.

 

Verbundprojekt: PancChip - Pankreas-Entwicklung und Krankheitsmodellierung auf einer iPSC Chipplattform

Die Bauchspeicheldrüse spielt eine zentrale Rolle bei der Regulierung des Blutzuckers. Ihre Zerstörung verursacht mehrere Formen von Diabetes mellitus und eine chronische Entzündung des Organs ist häufig assoziiert mit Bauchspeicheldrüsenkrebs. Ursächlich wirksame Therapien fehlen bislang. Dies auch, weil es an einschlägigen in vitro-Krankheitsmodellen mangelt, um u.a. die Wirkstoffentwicklung voranzutreiben. Stammzellen und von diesen abgeleitete Zellen können eine gute Quelle zur Herstellung dieser Krankheitsmodelle bilden. Die Mikrofluidik ermöglicht durch Miniaturisierung die Automatisierung und Parallelisierung von Untersuchungen mit Zellen bei niedrigem Materialverbrauch. Im interdisziplinären Konsortium PancChip wird aktuelle Mikrofluidik-Chip-Technologie mit neuen Methoden zur Kultur und Differenzierung von induzierten pluripotenten Stammzellen kombiniert, um patientenspezifische Krankheits- und Entwicklungsmodelle der Bauchspeicheldrüse zu etablieren. Mit Hilfe dieser neuartigen in vitro-Krankheitsmodelle können Fragestellungen zur Entstehung und Behandlung von Diabetes und Bauchspeicheldrüsenentzündung bearbeitet werden.

Diabetesforschung mit dem Pankreaschip

Helmholtz Zentrum München Deutsches Forschungszentrum für Gesundheit und Umwelt (GmbH) Institut für Diabetes- und Regenerationsforschung Business Campus Garching Parkring 11 85748 Garching b. München

Leiter: Tel.: FKZ: Betrag: Laufzeit:

Prof. Dr. Heiko Lickert 089 3187-3760 01EK1607A 493.832 EUR 01.02.2017 - 31.01.2020

Die "Zuckerkrankheit" Diabetes wird durch Autoimmunzerstörung von Insulin-sezernierenden Beta-Zellen (Typ 1) bzw. durch erworbene Insulinresistenz mit stetigem Verlust der funktionellen Beta-Zell-Masse (Typ 2) ausgelöst. Aktuelle Behandlungen leisten keine vollständige Kontrolle des Blutzuckers, was langfristig zu schwerwiegenden Komplikationen, wie zum Beispiel "diabetischem Fuß" und Schädigung der Augennetzhaut, führen kann. Beta-Zell-Ersatz- und Regenerationstherapie stellen eine vielversprechende Option für eine verbesserte Therapie und Lebensqualität von Millionen von Diabetes-Patienten dar. Aus Stammzellen generierte Beta-Zellen sind eine notwendige und vielversprechende alternative Quelle für die Transplantation. Zellmaterial von verstorbenen Spendern ist allerdings nur in geringen Mengen verfügbar. Zudem verfügen wir noch nicht über ein ausreichendes Verständnis der Signale und Faktoren, welche die Entwicklung und Reifung von Beta-Zellen in Kultur steuern. Mit Hilfe der Mikrofluidik wird ein miniaturisiertes und leistungsfähiges System zur Kultur und Analyse von Beta-Zellen und ihren Vorläufern erstellt, der "PancChip". Zunächst werden darauf in zweidimensionalen Zellkulturen die Bedingungen für die optimale Entwicklung von Stammzellen zu Beta-Zell-Vorläufern ermittelt werden. Später wird ein PancChip für die Kultur von dreidimensionalen "Organoiden" entwickelt werden. Diese vielzelligen Strukturen werden der Organisation der Beta-Zellen in den Langerhans´schen Inseln der Bauchspeicheldrüse ähneln. An diesen Organoiden werden die Mechanismen für die Entstehung von Diabetes und Ansätze für deren Therapie, wie z. B. Möglichkeiten der Regeneration von Beta-Zellen und Ansatzpunkte für Wirkstoffe, untersucht. Weiterhin wird es möglich sein, individuelle genetische Varianten der Erkrankung hinsichtlich ihres Ansprechens auf mögliche Wirkstoffe und Therapieschemata zu prüfen (personalisierte Medizin).

 

Entwicklung von mikrofluidischen Zellkulturtechnologien

Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Technische Fakultät Institut für Mikrosystemtechnik (IMTEK) Lehrstuhl für Anwendungsentwicklung Georges-Köhler-Allee 103 79110 Freiburg

Leiter: Tel.: FKZ: Betrag: Laufzeit:

Prof. Dr. Roland Zengerle 0761 203-73213 01EK1607B 562.461 EUR 01.02.2017 - 31.01.2020

Die Bauchspeicheldrüse (Pankreas) spielt eine zentrale Rolle für die Regulierung der menschlichen Verdauung sowie des Blutzuckerspiegels. Bis heute existieren keine Therapien für die schwerwiegendsten Pankreaserkrankungen, wie Diabetes oder Pankreatitis. Einer der Hauptgründe für fehlende Therapien ist die Heterogenität der Erkrankungen unter Patienten und der Mangel an spezifischem Zellmaterial für wissenschaftliche Studien sowie Transplantationen. Es werden mikrofluidische Chiptechnologien entwickelt, mit Hilfe derer Bauchspeicheldrüsenzellen aus induzierbaren pluripotenten Stammzellen (iPS) vom Menschen hergestellt werden können. Auf den Chips werden Flüssigkeitsströme in Strukturen von wenigen Mikrometern Größe reguliert, um die chemische Mikroumgebung von iPS zu kontrollieren. So wird es zum Beispiel möglich sein, Hormon- oder Arzneimittelkonzentrationen während der Entwicklungsphase der iPS zu optimieren. Für die effiziente Herstellung von funktionalen Pankreaszellen planen wir, zusätzlich quantitative Zellanalysemethoden auf den Chips zu integrieren und zu automatisieren.

 

Modellierung von Erbkrankheiten des exokrinen Pankreas

Universitätsklinikum Ulm Klinik für Innere Medizin I Albert-Einstein-Allee 23 89081 Ulm

Leiter: Tel.: FKZ: Betrag: Laufzeit:

PD Dr. Alexander Kleger 0731 500-44728 01EK1607C 590.315 EUR 01.02.2017 - 31.01.2020

Die Zerstörung des exokrinen Pankreas durch eine hereditäre chronische Pankreatitis (HCP) führt zu Pankreasinsuffizienz und einem dramatisch erhöhten Risiko für Bauchspeicheldrüsenkrebs. Bislang kann für diese Erkrankungen keine ursächliche Behandlung angeboten werden. Ein wichtiges Ziel dieses Vorhabens liegt darin, auf einer funktionen Plattform Zellen mit Genvarianten, die eine Veranlagung zur chronischen Pankreatitis erzeugen, zu etablieren, zu charakterisieren und diese Erkenntnisse in eine personalisierte Therapie umzusetzen. Die geplante Arbeit soll eine optimierte Differenzierungsplattform für die effiziente in vitro-Generierung von azinären/duktalen Pankreasorganoiden hervorbringen. Angewendet auf patientenspezifische induzierte pluripotente Stammzellen (iPS) werden diese Organoide ein in vitro-Modell für erbliche Erkrankungen des exokrinen Pankreas darstellen. Zunächst geht es darum, eine iPS-Zell-Biobank für alle genetisch determinierten exokrinen Pankreaserkrankungen auf- und auszubauen. Zu Kontrollzwecken sollen außerdem bestimmte Mutationen durch Genomeditierung in humane embryonale Stammzellen eingebracht werden. Außerdem wird eine Feinabstimmung der Zellkulturbedingungen mit Hilfe einer dualen Pankreasvorläufer- und exokrinen Reporterzelllinie, die innerhalb des geförderten Projekts generiert wird, erfolgen, um den  derzeitigen Organoid-Differenzierungsassay zu optimieren. Dies beinhaltet auch das Screening von "small molecule”-Bibliotheken. Ein weiterer Fokus liegt auf der phänotypischen Charakterisierung von HCP-spezifischen Pankreasorganoiden und dem Bestreben, molekulare Mechanismen zu erforschen, um letztlich mutationsspezifische Heilungsstrategien zu entwickeln. Dabei konzentriert man sich auf zwei unerforschte Varianten, die in den Genen CPA1 und SPINK1 auftreten. Schließlich sollen - basierend auf dem Protokoll eines Verbundpartners - die neu gewonnenen Erkenntnisse auf dem PancChip zusammengeführt werden.

 

Verbundprojekt: PDdementia - Klinisch korrelierte iPS-Zellmodelle zur Identifizierung von Wirkstoffen gegen den kognitiven Verfall im Endstadium der Parkinson-Krankheit

Die Parkinson-Krankheit (PK), ist eine langsam fortschreitende neurodegenerative Erkrankung. Patienten leiden zunächst unter einem allgemeinen Verlust der Muskel­bewegung, vom starren Gesichtsausdruck bis zum charakteristischen schlurfenden Gang. In späten Stadien kommt der für die Betroffenen stark belastende Verlust der kognitiven Fähigkeiten hinzu. Die motorischen Defizite können heute mit Medikamenten und neurochirurgischen Eingriffen relativ gut behandelt werden. Im Gegensatz dazu stehen fast keine Mittel gegen die im Endstadium auftretende Demenz zur Verfügung. PK ist durch die Ablagerung fehlgefalteter körpereigener Proteine im Nervensystem gekennzeichnet. Seit kurzem weiß man, dass im Endstadium neben dem Protein alpha-synuclein auch eine Hyperphosphorylierung und Ablagerungen des Zytoskelett-assoziierten Proteins TAU eine wichtige Rolle spielen. Um diese TAU-Pathologie besser zu verstehen, benötigt die Forschung geeignete Krankheitsmodelle. Bisherige Tiermodelle sind jedoch wenig geeignet, da sie nicht bis ins Endstadium der PK fortschreiten. Neue Arbeiten legen nun nahe, dass auf induzierten pluripotenten Stammzellen basierende Zellmodelle die PK Pathologie vollständig abbilden können. Im Verbund ‚PDementia‘ haben sich daher Expertenteams zusammengeschlossen, um das Potenzial dieser Zellmodelle für die Wirkstoffforschung zu erschließen. In Teilprojekt (TP) 1 werden patienten­spezifische Zellmodelle entwickelt und die Progression der Erkrankung untersucht. TP 2 nutzt diese Modelle für ein Wirkstoffscreening an bis zu 200.000 wirkstoffähnlichen Verbindungen. TP 3 entwickelt biophysikalische Modelle der Parkinson-Pathologie, um PK Risikofaktoren zu identifizieren und Treffer aus dem Wirkstoffscreening zu validieren. TP 4 nutzt Biomarker, um PK Patienten zu klassifizieren und den optimalen Zeitpunkt für die Verabreichung der Wirkstoffe zu identifizieren. Der nächste Schritt nach Abschluss des Projekts wird ein Wirkstoffoptimierungsprogramm und der Wirksamkeitsnachweis in einem therapeutisch relevanten Tiermodell sein.

Teilprojekt 1

Technische Universität Dresden Medizinische Fakultät Carl Gustav Carus Zentrum für Regenerative Therapien Dresden (CRTD) Fetscherstr. 105 01307 Dresden

Leiter: Tel.: FKZ: Betrag: Laufzeit:

Dr. Jared Sterneckert 0351 458-82103 01EK1606A 555.185 EUR 01.02.2017 - 31.01.2020

Das Endstadium der Parkinson-Krankheit (PK) verursacht Patienten und ihren Angehörigen das meiste Leid, da es Demenz und kognitiven Abbau mit sich bringt. Die motorischen Defizite der Parkinson-Krankheit, die auf den Verlust dopaminerger Neurone zurückzuführen sind, können mit heute verfügbaren Medikamenten und neurochirurgischen Eingriffen relativ gut behandelt werden. Im Gegensatz dazu stehen fast keine Mittel zur Verfügung, um die Demenz im Endstadium der PK, welches durch TAU-Pathologie einschließlich TAU-Phosphorylierung und Aggregation gekennzeichnet ist, zu behandeln. Das Vorhaben wird daher induzierte pluripotente Stammzellen verwenden, um einen personalisierten Behandlungsansatz für die Parkinson-Krankheit im Endstadium zu entwickeln.

 

Teilprojekt 2

Lead Discovery Center GmbH Otto-Hahn-Str. 15 44227 Dortmund

Leiter: Tel.: FKZ: Betrag: Laufzeit:

Dr. Bert Klebl 0231 9742-7000 01EK1606B 204.844 EUR 01.02.2017 - 31.01.2020

Ziel des Vorhabens ist die Identifizierung und Validierung von Substanzen, die das Fortschreiten der Parkinson Erkrankung (PD) sowie den Eintritt in die Endphase hemmen. Basierend auf iPS-abgeleiteten Neuronen soll ein primärer TAU-Phosphorylierungsassay aufgebaut werden. Anschließend wird ein Hochdurchsatzscreen (HTS) durchgeführt. Aktive Substanzen, die hiermit identifiziert werden, werden in zellulären-, physikochemischen- und pharmakologischen Assays (sekundäre Assays) weiter profiliert. Substanzen, die gute Eigenschaften aufweisen, werden entsprechend ihrer chemischen Beschaffenheit in chemische Cluster sortiert und in einer validierten Hitliste zusammengefasst.

 

Teilprojekt 3

Max-Planck-Institut für Molekulare Zellbiologie und Genetik Pfotenhauerstr. 108 01307 Dresden

Leiter: Tel.: FKZ: Betrag: Laufzeit:

PhD Simon Alberti 0351 210-2663 01EK1606C 262.248 EUR 01.02.2017 - 31.01.2020

In diesem Projekt werden patientenspezifische iPS-Zellmodelle entwickelt, welche den Übergang von der motorischen Phase, gekennzeichnet durch aSYN Pathologie, zur Endphase, gekennzeichnet durch TAU Pathologie, abbilden. Diese Modelle werden verwendet um neue wirkstoffähnliche Verbindungen zu identifizieren, welche ein Fortschreiten der Krankheit verhindern. Das Vorhaben wird darüber hinaus biochemische in vitro-Methoden entwickeln, um Risikofaktoren zu identifizieren, Verbindungen zu validieren und eine Hit-to-Lead-Entwicklung zu ermöglichen. Schließlich werden auch Proben von Patientengruppen verwendet, um eine Patienten-Stratifizierung durchzuführen und den Zeitpunkt zur Wirkstoffverabreichung zu bestimmen. Das Ziel ist neue Behandlungsmethoden für PD zu entwickeln und damit das Leben von Patienten stark zu verbessern.

 

Teilprojekt 4

Eberhard-Karls-Universität Tübingen Universitätsklinikum und Medizinische Fakultät Hertie Institut für klinische Hirnforschung - Neurodegeneration Otfried-Müller-Str. 27 72076 Tübingen

Leiter: Tel.: FKZ: Betrag: Laufzeit:

Prof. Dr. Thomas Gasser 07071 29-86529 01EK1606D 361.612 EUR 01.02.2017 - 31.01.2020

Das Hauptziel von Teilprojekt 4 ist die Validierung der Resultate aus den grundlagenwissenschaftlichen Teilprojekten 1-3 im Hinblick auf die Charakterisierung der zugrundeliegenden molekularen Mechanismen von Demenz, sowie darauf aufbauend die Identifizierung spezifischer Wirkstoffe zur Verhinderung dieses Eckpfeilers der Erkrankung. Dies erfolgt anhand der Charakterisierung klinischer, genetischer sowie molekularer "Fingerabdrücke" in iPSC-Modellen sowie longitudinalen klinischen Datensets in Relation zu Markern in Liquor und Blut.

 

Verbundprojekt: Neuro2D3 - Standardisierte Systeme zur Modellierung spät einsetzender neurologischer Erkrankungen und Wirkstoffscreening in 2D und 3D Kulturen

Die Entwicklung neuer Therapien für die Behandlung neurodegenerativer Erkrankungen gehört zu den zentralen Herausforderungen einer alternden Gesellschaft. Ein Schlüsselproblem hierbei ist der begrenzte Zugang zu menschlichem Gehirngewebe und das Fehlen geeigneter Krankheitsmodelle. Diese sind sowohl für die Erforschung der molekularen und zellulären Krankheitsmechanismen von Bedeutung, als auch für die Entwicklung neuer Behandlungsansätze.
Mit der Verfügbarkeit der neuen Zell-Reprogrammierungsverfahren ist es heute möglich, aus Patienten entnommene Körperzellen in induziert pluripotente Stammzellen (iPS-Zellen) umzuwandeln. Diese Zellen können im Labor gezielt in Gehirnzellen ausdifferenziert werden. Im Verbund ‚Neuro2D3‘ haben sich drei Bonner Expertenteams zusammengeschlossen, um aus diesen patienten-spezifischen induzierten neuralen Zellen in vitro-Krankheitsmodelle der Neurodegeneration zu entwickeln und diese für die Wirkstoffforschung zu nutzen. Das Team von Prof. Brüstle am Universitätsklinikum Bonn wird aus Blutproben von Menschen mit Alzheimer’scher und Machado-Joseph-Erkrankung mit Hilfe verschiedener Verfahren induzierte neuralen Zellen herstellen. LIFE & BRAIN GmbH entwickelt auf dieser Basis neuartige 3D-Zellkulturmodelle, die die charakteristischen pathologischen Veränderungen im Gehirn der Betroffenen in vitro nachbilden können. Für den Einsatz in der Wirkstoffforschung müssen diese Modelle miniaturisiert und für eine automatisierte Produktion angepasst werden. Das Deutsche Zentrum für neurodegenerative Erkrankungen (DZNE) entwickelt solche Zellmodelle im Mikrotiterplatten-Format. Ganze Bibliotheken bioaktiver Substanzen sollen dann an diesen Modellen mit Hilfe automatisierter mikroskopischer Analysen auf ihre krankheitsmodulierende Wirkung hin untersucht werden. Als nächster Schritt nach Vorliegen der Verbundergebnisse ist die Weiterentwicklung der Testsysteme in Kooperation mit Pharmaunternehmen (Beta Test Trials) anvisiert.

Teilprojekt 1 (Koordination)

Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn Medizinische Fakultät und Universitätsklinikum Institut für Rekonstruktive Neurobiologie Sigmund-Freud-Str. 25 53127 Bonn

Leiter: Tel.: FKZ: Betrag: Laufzeit:

Prof. Dr. Oliver Brüstle 0228 6885-500 01EK1603A 548.153 EUR 01.02.2017 - 31.01.2020

Das Hauptziel von Teilprojekt 1 ist zu erforschen, inwieweit induzierte neurale Stammzellen (iNSC), welche direkt aus Blutproben von Patienten gewonnen werden können, sich zur Modellierung von altersbedingten neurologischen Erkrankungen eignen und hierbei ggf. Vorteile gegenüber neuralen Stammzellen aufweisen, die über ein langwierigeres Verfahren aus induziert pluripotenten Stammzellen abgeleitet werden. Darüber hinaus sollen in diesem Teilprojekt 2D- und 3D Zellkulturmodelle für die Analyse intra- und extrazellulärer Proteinaggregate bei neurodegenerativen Erkrankungen etabliert werden.

 

Teilprojekt 2

Life & Brain GmbH - Plattform Cellomics Sigmund-Freud-Str. 25 53127 Bonn

Leiterin: Tel.: FKZ: Betrag: Laufzeit:

Simone Haupt 0228 6885-470 01EK1603B 154.458 EUR 01.02.2017 - 31.01.2020

Ziel des Teilprojektes ist es, patienten- und krankheitsspezifische zelluläre Testsysteme für die in vitro-Modellierung altersbedingter neurologischer Erkrankungen in einem skalierbaren automatisierten Verfahren zu produzieren und für Imaging-basierte Screening-Ansätze im Rahmen der pharmakologischen Wirkstoffsuche bereitzustellen. In dem hier beschriebenen Teilprojekt werden dazu insbesondere die technischen und biologischen Herausforderungen bei der Etablierung und Standardisierung von in vitro-Krankheitsmodellen auf Basis (re)programmierter neuraler Zellen (induzierter neuronaler Stammzellen (iNSC), aus induzierten pluripotenten Stammzellen generierte neuronale Stammzellen (iPSC-NSC) bzw. aus diesen Vorläuferzellen abgeleitete Neurone) adressiert.

 

Teilprojekt 3

Deutsches Zentrum für Neurodegenerative Erkrankungen e.V. Sigmund-Freud-Str. 27 53127 Bonn

Leiter: Tel.: FKZ: Betrag: Laufzeit:

Dr. Eugenio Fava 0228 43302-540 01EK1603C 407.045 EUR 01.02.2017 - 31.01.2020

Das Teilvorhaben wird standardisierte, patienten-nahe neuronale Stammzellmodelle Zellmodelle für die Machado-Joseph-Krankheit (MJD) und die Alzheimersche Erkrankung (AD) nutzen, um krankheitsrelevante 2D- und 3D-Zellsysteme für die Wirkstofffindung und in vitro-Krankheitsmodellierung zu qualifizieren. Eine besondere Herausforderung dieses Teilprojektes ist die Verwendung von neuen Verfahren zur standardisierten Bereitstellung von neuronalen Stammzell (NSC)-Modellen im Mikrotiterplattenformat sowohl als Monolayer als auch als in der matrixeingebetteten 3D-Zellkultur, die zusammen mit den Projektpartnern erarbeitet und qualifiziert werden. Als Zellmodell werden induzierte neuronale Stammzell (iNSC)- und aus induzierten pluripotenten Stammzellen generierte neuronale Stammzell (iPSC-NSC) Systeme von MJD- und AD-Patienten verwendet, die durch intra- und extrazelluläre Proteinaggregation als krankheitsassoziiertem Pathophänotypen charakterisiert sind. Mittels automatisierter Hochdurchsatz-2D- und 3D-Mikroskopie werden Verfahren qualifiziert, diese pathogenen Zellmarker quantitativ zu erfassen. Die bildbasierten High-Content-Analyse (HCA) Testsysteme werden anschließend für das Screening von bioaktiven Substanzbibliotheken (‚chemogenomic screening’) genutzt. Die Wirkprofile der bioaktiven Substanzen werden analysiert, um Modulatoren der pathogenen Proteinaggregation zu identifizieren und pathogene Signalwege abzuleiten. So sollen neue Verfahren für die in vitro-Kranheitsmodellierung etabliert werden, um neue therapeutische Ansätze für MJD und AD zu erforschen.