Verbund

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.

Teilprojekte

iPS-Profiler Plattform - Chip & Betriebsgerät

Förderkennzeichen: 01EK1612A
Gesamte Fördersumme: 735.427 EUR
Förderzeitraum: 2016 - 2019
Projektleitung: Dr. Holger Becker
Adresse: Microfluidic ChipShop GmbH
Stockholmer Str. 20
07747 Jena

iPS-Profiler Plattform - Chip & Betriebsgerät

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

Förderkennzeichen: 01EK1612B
Gesamte Fördersumme: 1.108.561 EUR
Förderzeitraum: 2016 - 2019
Projektleitung: Prof. Dr. Ralf Mrowka
Adresse: Universitätsklinikum Jena, Klinik für Innere Medizin III, Experimentelle Nephrologie
Am Nonnenplan 2
07743 Jena

Funktionalisierung der iPS-Zelllinien und Organoid Design

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

Förderkennzeichen: 01EK1612C
Gesamte Fördersumme: 317.864 EUR
Förderzeitraum: 2016 - 2019
Projektleitung: Prof. Dr. Stefan Wölfl
Adresse: Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg, Fakultät für Biowissenschaften, Institut für Pharmazie und Molekulare Biotechnologie, Abt. Pharmazeutische Biologie
Im Neuenheimer Feld 364
69120 Heidelberg

Optimierung und Validierung für die Wirkstoffprüfung

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

Förderkennzeichen: 01EK1612D
Gesamte Fördersumme: 375.832 EUR
Förderzeitraum: 2016 - 2019
Projektleitung: Dr. Andreas Kurtz
Adresse: Charité - Universitätsmedizin Berlin, Berlin-Brandenburg Center für Regenerative Therapien (BCRT)
Augustenburger Platz 1
13353 Berlin

Differenzierung humaner iPS-Zellen

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.