DESIGN VON 3D- GEWEBESTRUKTUREN DER NIERE

In den vergangenen Jahren hat sich sowohl im klinischen Umfeld als auch in der Forschung ein grosses Interesse an organtypischen, dreidimensionalen (3D) Gewebekulturmodellen entwickelt. Es existiert insbesondere ein grosser Bedarf an organähnlichen Strukturen der Niere, welche für die Entwicklung neuer Wirkstoffe eingesetzt werden könnten (1, 2). Die Niere, in ihrer physiologischen Funktion bei der Exkretion, ist teilweise hohen Wirkstoffdosen ausgesetzt. Daher ist sie auch sehr anfällig für Nebenwirkungen von Medikamenten, was dazu führt, dass eine Vielzahl von Pharmaka in der Spätentwicklung aufgrund der Nierentoxizität scheitern (3, 4). Die Schädigungen der Niere durch Fremdsubstanzen (Xenobiotica) erfolgen vor allem im Proximalen Tubulus (PT).

Daher ist die Erzeugung dieser Struktur in einem 3D-Zellkulturmodell das vorrangige Ziel unserer Entwicklung. Um diese komplexen, organtypischen Strukturen nachzuahmen, ist eine interdisziplinäre Zusammenarbeit aus Biologie (Zellbiologie, Bioreaktortechnik, Tissue Engineering), Materialwissenschaften (Biomaterialwissenschaften) und Ingenieurswissenschaften (Mikrofluidik, 3D-Printing) erforderlich. Die Hochschule für Life Sciences (HLS) der FHNW ist mit den technischen und wissenschaftlichen Kompetenzen, der Infrastruktur der Institute für Chemie und Bioanalytik (ICB) und Medizinal- und Analysetechnik (IMA) in einer ausgezeichneten Lage, all diese Bereiche kompetent abzudecken und diese Entwicklung voranzutreiben.

Das Ziel dieses Projektes ist die Entwicklung und Kultivierung nierenähnlicher Gewebestrukturen in 3D bestehend aus funktionellen Renal Proximal Tubular Cells (RPTC), die zum effizienteren Screening (Pharmakologie und Toxikologie) von Substanzen eingesetzt werden können. Hierfür werden ideale Materialkombinationen, funktionale Oberflächen, sowie dreidimensionale mechanische Supportstrukturen und deren fluidische Beströmung entwickelt, welche die Bildung eines funktionellen Epithels in vitro unterstützen.

Die Spezifikationen des entworfenen Modells sollen gewährleisten, dass die erforderlichen 3D-Strukturen hergestellt werden und dass das Anwenden eines kontrollierten Flusses ermöglicht wird, um physiologische Situationen zu simulieren. 

Die Optimierung der Zellfunktionalität durch Interaktion mit ausgewählten Oberflächen (Membranen, Trägermaterialien, Oberflächenchemie & -topografie, mechanische Parameter) hat vielversprechende Ergebnisse geliefert und zeigt, dass bestimmte, künstliche sowie biologische Oberflächen das Wachstum der Nierenzellen (von zwei Zelllinien) gezielt fördert. Anhand der gezielten Charakterisierung der kultivierten RPTC mit geeigneten Markern haben wir erste Hinweise bezüglich der Differenzierung der Zellen und der Funktionalität des Zellverbundes als Barriere. Darüber hinaus ist ein erster Prototyp eines geeigneten mikrofluidischen, einkanaligen Durchflusssystems für die Nährmedien, konzipiert, designt und hergestellt worden, welches in Verbindung mit den optimierten Zellkulturbedingungen in der nächsten Phase des Projektes erprobt und eingesetzt werden wird.

 Das Durchflusssystem ist zum Ausbau zu einem vielkanaligen System konzipiert und die technische Umsetzung und Erprobung erfolgt nun in der zweiten Projekthälfte. Zusätzlich sind Untersuchungen an Materialien, welche sich grundsätzlich zur Realisierung dreidimensionaler Strukturen (z.B. Additive Manufacturing) eignen und gleichfalls eine geeignete Umgebung für das Zellwachstum aufweisen, Gegenstand der verbleibenden Projektlaufzeit. 

PROJEKTLEITENDE
IM FOKUS

Hochschule für Life Sciences

Prof. Dr. Laura Suter-Dick

Professorin für Molekulare Toxikologie

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