Geweberegeneration mit Nachbetrachtungsmöglichkeit
Über das teilweise EU-finanzierte Projekt BIODESIGN (Rational bioactive materials design for tissue regeneration) wurde eine ergebnisorientierte Initiative mit erstklassiger akademischer und industrieller Zusammenarbeit verwirklicht, um eine Veränderung der Forschungslandschaft im Bereich der Geweberegeneration herbeizuführen. Die Ergebnisse, die maßgeblich auf Vorhersagen basieren, sind für die Grundbausteine der Geweberegeneration – Stammzellen und Scaffolds – optimiert und bieten zusätzlich den Vorteil einer signifikanten Verringerung in Bezug auf die Versuchsdauer und Tierexperimente. Über BIODESIGN wurden grundlegende Innovationen bei hochmodernen Biomaterialien erzielt, um die prädiktive Gestaltung und die Testkriterien für die Entwicklung bioinspirierter Hochleistungs-Materialien zu optimieren. Prof. Jöns Hilborn, der leitende wissenschaftliche Koordinator, erklärt: „Die derzeitigen In-vitro-Instrumente, einschließlich derer für die regulatorische Genehmigung, sind schlechte Prädiktoren für In-vivo-Ergebnisse.“ Evaluation mit Nachbetrachtung Auf der Suche nach der Grundlage für die besten Produkte, die bereits entwickelt worden sind oder die derzeit getestet werden, führte das Team zunächst eine retrospektive Analyse vorheriger Ergebnisse aus klinischen Studien für den Menschen durch, die auf Tiermodellen basieren. Mit einem Reverse-Engineering-Ansatz, der optimale Therapien wieder auf ihr molekulares In-vitro-Design reduziert, wurde diese Strategie angewandt, um durch ein rationales Design neue Bioregenerations-Instrumente und -Materialien zu entwickeln. Das BIODESIGN-Team entwickelte drei Arten modularer Scaffolds – injizierbare Weichgels, Komposite mit konformer extrazellulärer Matrix (Extracellular Matrix, ECM) und belastungsfähige Keramiken. Die Materialien wurden entwickelt und auf deren Abbau und deren Auswirkungen auf das Zell- und Gewebeverhalten hin getestet. Gemäß der Kernstrategie von BIODESIGN werden die In-vitro-Evaluationsmethoden mit dem In-vivo-Ergebnis der Gewebeimplantierung korreliert. Die BIODESIGN-Knochen Da die Matrizen für Produkttests nunmehr maßgeblich durch die Struktur und Funktion spezifischer Produkte bestimmt sind, werden Biomaterialien individuell auf jedes Zell-/Scaffold-Konstrukt angepasst. In-vitro-Screening-Instrumente für die Entwicklung von Scaffold-Materialien sind zur Überwachung des künstlich hergestellten Gewebes auf zuverlässige und benutzerfreundliche Protokolle angewiesen, die online und zerstörungsfrei genutzt werden können. Und diese hat das Team entwickelt. Prof. Hilborn beschreibt die Arbeit an Knochen, die bereits zu kommerziellen Ergebnissen geführt hat. „BIODESIGN hat zum Teil Forschung im Bereich der Knochenkeramik unterstützt, die jetzt in Form eines Spin-offs von der Universität Uppsala auf dem Markt ist. Außerdem wurde durch die beteiligten Unternehmen eine neue Art biokompatibler Klebstoff entdeckt, mit dem ein solides Festkleben am Knochen möglich ist. Bei erfolgreicher Produktentwicklung könnte dieser in fünf Jahren vermarktet werden.“ Bestehende KMUs und neue Spin-off-Unternehmen haben bereits Technologien für die Lizenzierung und Kommerzialisierung sowie für erste Machbarkeitsdemonstrationen entwickelt, die jedoch noch nicht so ausgereift sind, um eingesetzt werden zu können. Hierzu zählen innovative RNA-Interferenz-Wirkstoffkonzepte, bei denen bestimmte Gene unterdrückt werden und Knochenzement-Scaffolds mit hoher Stärke beteiligt sind. Drastisch reduzierte Tierversuche Die Projektmitglieder entwickelten Bildgebungsmethoden für künstlich hergestellte In-vitro- und In-vivo-Gewebestrukturen. Mit diesen Instrumenten lassen sich noch vor Tierversuchen die Scaffold-Parameter und die voraussichtliche Leistung bestimmen. Diese Parameter werden außerdem jetzt genutzt, um die Scaffold-Leistung ohne weitere Tierversuche zu korrelieren. Fortschrittliche In-vitro-Gewebemodelle beinhalten bis zu einem gewissen Grad dezellularisiertes Gewebe, um die natürlichen morphologischen, mechanischen und ECM-Signalwege der Zelle zu nutzen. Daten von Evaluationsinstrumenten, welche die In-vivo-Umgebung nachbilden, werden mit aktuellen Ergebnissen bei Tiermodellen verglichen und reduzieren ebenfalls die Verwendung von Tieren. Unter besonderer Berücksichtigung der Kosten und der ethischen Herausforderung in Bezug auf die Anwendung von Tierversuchen fasst Prof. Hilborn die künftigen Auswirkungen des Projekts zusammen. „Wir sind davon überzeugt, dass verbesserte In-vitro-Screens als Vorhersageinstrumente für In-vivo-Ergebnisse, die abgesehen von der Knochenregeneration in vielen weiteren Bereichen erforderlich sind, nach wir vor entwickelt werden. In-vitro-Screens müssen mit dem In-vivo-Ergebnis übereinstimmen, um eine Verringerung in Bezug auf die Verwendung von Tieren und zeitaufwendige Testverfahren zu erreichen, damit kostspielige Entwicklungen reduziert werden.“
Schlüsselbegriffe
Geweberegeneration, BIODESIGN, Vorhersage, Tierversuche, Knochen
