Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB
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Die dreidimensionale Reporterhaut des Fraunhofer IGB ist ein In-vitro-Modell der humanen Haut, dass die zelluläre Antwort auf eine Testsubstanz über einen integrierten Reporter am lebenden Modell messbar macht.
© Fraunhofer IGB
Die dreidimensionale Reporterhaut des Fraunhofer IGB ist ein In-vitro-Modell der humanen Haut, dass die zelluläre Antwort auf eine Testsubstanz über einen integrierten Reporter am lebenden Modell messbar macht.

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Dreidimensionale (3D) Hautmodelle als In-vitro-Testsysteme

Wir entwickeln metabolisch aktive 3-D-Hautmodelle verschiedener Komplexität als In-vitro-Testsysteme basierend auf immortalisierten primären oder primären Zellen:

Rekonstituierte Dermismodelle

sind aus immortalisierten primären oder primären Fibroblasten in einer Kollagenschicht auf einer porösen Polycarbonatmembran aufgebaut und werden submers kultiviert.

Rekonstituierte Epidermismodelle

sind aus immortalisierten primären oder primären Keratinozyten auf einer porösen Polycarbonatmembran aufgebaut und werden an der Luft-Flüssigkeits-Grenzfläche kultiviert.

Rekonstituierte Vollhautmodelle

sind aus immortalisierten primären oder primären Fibroblasten und immortalisierten primären oder primären Keratinozyten aufgebaut. Das dermale Gewebeäquivalent aus Fibroblasten wird auf einer porösen Polycarbonatmembran kultiviert. Hierauf befindet sich eine epidermale Schicht aus differenzierten immortalisierten primären oder primären Keratinozyten. Das Modell wird an der Luft-Flüssigkeitsgrenze kultiviert.

Immunkompetente Vollhautmodelle

sind aus rekonstituierten Vollhautmodellen aufgebaut, werden um Immunzellen wie mononukleäre Zellen des peripheren Blutes (Peripheral Blood Mononuclear Cells, PBMC) ergänzt und an der Luft-Flüssigkeitsgrenze auf einer porösen Polycarbonatmembran kultiviert.

Histologische Schnitte humaner 3D-Hautmodelle: A) rekonstituiertes Epidermismodell, B) rekonstituiertes Dermismodell und C) rekonstituiertes Vollhautmodell sind gewebetypisch. D) Immunkompetentes Hautmodell, in dem ein Vollhautmodell um Immunzellen in einer Kollagenmatrix ergänzt wurde.
Histologische Schnitte humaner 3D-Hautmodelle: A) rekonstituiertes Epidermismodell, B) rekonstituiertes Dermismodell und C) rekonstituiertes Vollhautmodell sind gewebetypisch. D) Immunkompetentes Hautmodell, in dem ein Vollhautmodell um Immunzellen in einer Kollagenmatrix ergänzt wurde.

3-D-Hautmodelle verschiedener Komplexität aus immortalisierten primären oder primären Zellen

Herausforderung

Geeignete Alternativen zu Tierversuchen sind sogenannte New Approach Methodologies (NAMs), die auch zellbasierte In-vitro-Modelle umfassen. 3-D-Hautmodelle sind von wesentlicher Bedeutung bei der Risikobewertung neuer Produkte und in der kosmetischen Forschung, wo Tierversuche in Europa vollständig verboten sind.

Unsere Entwicklung

Mit unserer jahrzehntelangen Expertise in der Entwicklung von monoklonalen Zelllinien, dem Umgang mit (pathogenen) Mikroorganismen sowie dem Arbeiten nach höchsten Qualitätsstandards entwickeln wir 3-D-Hautmodelle in verschiedener Komplexität, sowohl zur Darstellung von gesunder Haut als auch für deren Krankheitsbilder. Die Hautmodelle können – je nach Anwendung – neben Komponenten der Haut auch Immunzellen, Mikroorganismen und Reporter-Systeme für die Aktivierung von zellulären Signalwegen beinhalten.

 

Damit können Untersuchungen

  • zu Hautsensibilisierung und -toxizität,
  • zur Immunantwort,
  • zu Wirtsreaktionen der Haut bei Anwesenheit von pathogenen Mikroorganismen,
  • zu Interaktionen der Haut mit dem Mikrobiom,
  • zu Hautpenetration sowie
  • zu Wirkmechanismen von Substanzen durchgeführt werden.
Schematische Darstellung von 3D-Hautmodellen unterschiedlicher Komplexität als Reporterhaut-Modelle, immunkompetente Modelle sowie Mikrobiom- und Infektionsmodelle.
Schematische Darstellung von 3D-Hautmodellen unterschiedlicher Komplexität als Reporterhaut-Modelle, immunkompetente Modelle sowie Mikrobiom- und Infektionsmodelle.
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In-vitro-Modelle ersetzen Tierversuche

In der Dermatologie und Pharmakologie sind noch immer In-vivo-Studien am Tier erforderlich, bevor Wirkstoffe und Formulierungen am Menschen getestet werden dürfen. New Approach Methodologies und insbesondere In-vitro-Modelle gewinnen hier jedoch erheblich an Bedeutung. So sind viele Ergebnisse aus Tierversuchen, insbesondere wenn das Immunsystem involviert ist, nicht direkt auf dem Menschen übertragbar (Marshall LJ, Bailey J, Cassotta M, Herrmann K, Pistollato F. Poor Translatability of Biomedical Research Using Animals — A Narrative Review. Alternatives to Laboratory Animals. 2023;51(2):102-135. doi:10.1177/02611929231157756

In-vitro-Modelle ermöglichen

  • einen höheren Durchsatz,
  • eine bessere speziesspezifische Vorhersage der In-vivo-Wirksamkeit,
  • ein tieferes Verständnis von Wirkmechanismen durch Untersuchungen spezifischer Zellpopulationen und
  • unterstützen bei der Auswahl der besten Leitkandidaten.

Der Einsatz von In-vitro-Modellen kann die Arzneimittelentwicklung sowohl in der Human- als auch in Veterinärpharmazie beschleunigen.

3-D-Hautmodelle entsprechen der In-vivo-Situation

Unsere rekonstituierte Epidermis- und Vollhautmodelle weisen eine stark ausgeprägte Hornschicht mit Barrierewirkung auf. Unsere Modelle entsprechen der humanen In-vivo-Haut und exprimieren den Proliferationsmarker Ki67 sowie spezifische Differenzierungsmarker der Epidermisschichten exakt wie in der humanen Haut:

  • Fillagrin
  • Involucrin
  • Cytokeratin 10
  • Cytokeratin 14

 

Proliferations- und Differenzierungsmarker rekonstituierter In-vitro-Epidermismodelle entsprechen exakt dem Expressionsmuster der humanen In-vivo-Haut (Immunhistochemische Färbungen von Gewebedünnschnitten).
Proliferations- und Differenzierungsmarker rekonstituierter In-vitro-Epidermismodelle entsprechen exakt dem Expressionsmuster der humanen In-vivo-Haut (Immunhistochemische Färbungen von Gewebedünnschnitten).

Vorteile und Alleinstellungsmerkmale unserer 3D-Hautmodelle

Unsere 3-D-Hautmodelle basieren auf gezielt immortalisierten primären oder primären Hautzellen menschlichen oder tierischen Ursprungs gesunder Spender. Dadurch sind unsere Hautmodelle spenderunabhängig, reproduzierbar und jederzeit für Untersuchungen verfügbar.

Wir etablieren Modelle, die eine Reporter-Funktion tragen, Krankheitsbilder nachstellen oder mit denen über Knock-out Wirkstofftargets validiert werden können.

Unsere rekonstituierten Epidermismodelle, die ohne Medienzusätze tierischen Ursprungs kultiviert werden, ermöglichen eine chargenunabhängige Reproduzierbarkeit. Sie sind dadurch eine konsequente Lösung zur Vermeidung von Tierversuchen. 

Histologische Schnitte A) eines rekonstituierten Vollhautmodells mit mehreren physiologischen Schichten bestehend aus Epidermis sowie Dermis und B) eines rekonstituierten Epidermismodells mit Stratum corneum (Hornschicht), Stratum lucidum, Stratum granulosum, Stratum spinosum und Stratum basale.
Histologische Schnitte A) eines rekonstituierten Vollhautmodells mit mehreren physiologischen Schichten bestehend aus Epidermis sowie Dermis und B) eines rekonstituierten Epidermismodells mit Stratum corneum (Hornschicht), Stratum lucidum, Stratum granulosum, Stratum spinosum und Stratum basale.
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Anwendungen und Einsatzgebiete

Wir haben ein breites Portfolio an 3-D-Hautmodellen als In-vitro-Testsysteme für unterschiedliche Anwendungen zur Beurteilung der Wirksamkeit und Sicherheit von kosmetischen und dermatologischen Produkten sowie von Arzneimitteln und Chemikalien, zur

  • Bestimmung von Toxizität,
  • Analyse der Hautpenetration einer Substanz,
  • Entwicklung und vorklinische Testung von Wirkstoffen und
  • Untersuchung zu Immunreaktionen auslösenden Substanzwirkungen (Sensibilisierung, Inflammation)

Folgende Applikationsmethoden einer zu untersuchenden Substanz sind mit unseren In-vitro-Modellen möglich:

  • Systemische Zugabe von wasserlöslichen Substanzen zum submersen Zellkulturmedium oder
  • Topische Applikation von hydrophoben, viskosen oder (halb-)festen Substanzen auf die differenzierte Epidermis. 

In-vitro-Hautmodell im 0,60 cm2- Format
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In-vitro-Hautmodell im 0,60 cm2- Format

Unser Portfolio an 3-D-Hautmodellen

Wir stellen spezifisch geeignete Modelle für unterschiedliche Fragestellungen und Anwendungen bereit:

  • Humane und tierische Modelle
  • Immunkompetente Hautmodelle
  • Reporterhaut-Modelle zur Testung von Substanzen auf Zellstress-beeinflussende Wirkungen: anti-/inflammatorisch, sensibilisierend, anti-/oxidativ, stressauslösend durch fehlerhafte Proteinfaltung im endoplasmatischen Retikulum
  • Mikrobiom- und Infektionshautmodelle mit Bakterien, Pilzen und Viren
  • Krankheitshautmodelle

 

Unsere 3-D-In-vitro-Hautmodelle können in folgenden Formaten aufgebaut werden:

  • 4,38 cm2 (6 Well)
  • 0,60 cm2 (24 Well)
  • 0,38 cm2 (12-Well)

Unsere Leistungen

 

Wir bieten eine breite Palette an Dienstleistungen rund um unsere Hautmodelle an, die wir in hochmodernen Laboren im Auftrag von und in Zusammenarbeit mit Kunden durchführen:

  • Durchführung von Studien und Substanzscreenings
  • Entwicklung innovativer und komplexer Hautmodelle einschließlich
    • Isolation von primären Zellen
    • Herstellung von genetisch modifizierten Zelllinien (stabil und transient)
    • Reporter-Zelllinien mit unterschiedlichen intrazellulären und sekretierten Reportern
    • 3-D-In-vitro-Geweberekonstitution
    • Phänotypische und funktionelle Charakterisierung von Modellen
  • Bereitstellung aller Hautmodelle für den Versand

Analysemethoden

In unseren 3-D-Hautmodellen können Auswirkungen von Chemikalien, Wirkstoffen und Produkten auf die Architektur des Gewebes und physiologische Eigenschaften untersucht werden. Die Analysen von Vollhautmodellen können sowohl mit dem gesamten Gewebe als auch getrennt in Dermis und Epidermis durchgeführt werden.

 

Wir bieten folgende Analysemethoden an:

  • Vitalitätsmessungen beispielsweise mittels MTT Test (kolorimetrischer Test), alarmaBlueTM …
  • Multiplex-Analyse zur Detektion und Quantifizierung sekretierter Proteine wie z. B. Zytokine, Chemokine, Wachstumsfaktoren und antimikrobielle Peptide
  • Testung des transepithelialen elektrischen Widerstands (TEER) und alternative Testung der Barrierefunktion der Haut
  • Histologische und immunohistochemische Färbungen an Gewebedünnschnitten
  • Proteinanalysen mittels Western Blot
  • Analyse spezifischer Signalwegaktivierung über Reporter-Proteine
  • RNA- und DNA-Analysen mittels PCR bzw. qPCR und Sequenzierung 

Unsere In-vitro-Hautmodelle

 

Reporterhaut-Modelle zur Untersuchung von Zellstressantworten

Wir bieten ein Portfolio an humanen Reporterhaut-Modellen zum Nachweis von Zellstressantworten wie Inflammation, Sensibilisierung oder ER-Stress. Damit können wir sowohl Aussagen über das toxikologische Potenzial einer Substanz treffen als auch spezifisch und schnell verschiedene zelluläre Stresssignalwege in demselben Modell aktivieren und auslesen.

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Immunkompetentes Infektionsmodell der Haut

Wir entwickeln dreidimensionale Hautmodelle, die neben Komponenten der menschlichen Haut auch Immunzellen und Reportersysteme für die Aktivierung von Immunsignalwegen beinhalten. Damit können angeborene Immunantworten auf eindringende Pilze und Viren untersucht und Möglichkeiten zur Modulierung der Wirtsreaktionen identifiziert werden.

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Humanes 3D-Psoriasis-Hautmodell

Im Projekt »Psoriceptors« haben wir ein 3D-Psoriasis-Hautmodell etabliert, mit dem die Psoriasis-typische Entzündungsreaktion nachgestellt werden kann. Das Modell eignet sich zum Screening von Molekülen mit TLR inhibierender Wirkung als potenzielle Wirkstoffe für die Behandlung von Schuppenflechte, da Toll-like-Rezeptoren (TLR) eine Rolle bei Psoriasis spielen.

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Dreidimensionale tierische Hautmodelle

Tierarzneimittel oder dermatologische Pflegeprodukte für Haustiere werden oft ohne vorherige Testung auf Wirksamkeit eingesetzt oder es kommen humane Produkte zur Anwendung. Wir entwickeln rekonstituierte Hautmodelle basierend auf primären und immortalisierten primären Hautzellen tierischen Ursprungs als In-vitro-Testsysteme, um veterinärmedizinische Therapeutika und Fellpflegeprodukte standardisiert testen zu können.

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