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Lehrstuhl für Tissue Engineering & Regenerative MedizinProf. Dr. Heike Walles
Tissue Engineering & Regenerative Medizin Die Medizin von morgen Würzburg 29.09.2011
2Moderne Verfahren der Geweberegeneration 25.11.2011
Moderne Verfahren der Geweberegeneration
3Moderne Verfahren der Geweberegeneration 25.11.2011
MCW, Muskuloslelettales Centrum Würzburg
Sekretariat: Frau U. HofmannTelefon +49 931 803 1582Fax +49 931 803 1599
Email mcw.klh@uni-wuerzburg.de
interdisziplinären Vernetzung zur (Entwicklung von) Therapien • Osteoporose• bei Wirbelsäulenproblemen• Komplikationen des künstlichen Gelenkersatzes• entzündlicher rheumatischen Erkrankungen• Tumoren der Bewegungsorgane, • neuromuskulären Problemen inklusive des Muskelschwunds im Alter (Sarkopenie).
4Moderne Verfahren der Geweberegeneration 25.11.2011
MCW, Muskuloslelettales Centrum Würzburg
5Moderne Verfahren der Geweberegeneration 25.11.2011
Besondere Rolle dieser Disziplinen auch in der Rehabilitation und Geriatrie
http://www.mcw.medizin.uni-wuerzburg.de
6Moderne Verfahren der Geweberegeneration 25.11.2011
Moderne Verfahren der Geweberegeneration
Lehrstuhl für Tissue Engineering & Regenerative MedizinProf. Dr. Heike Walles
8Moderne Verfahren der Geweberegeneration 25.11.2011
Tissue EngineeringTissue Engineeringkküünstlichenstliche OrganeOrgane
XenotransplantationXenotransplantationTiere als OrganspenderTiere als Organspender
AllotransplantationAllotransplantationvon einem anderen Menschenvon einem anderen Menschen
AutotransplantationAutotransplantationaus dem eigenen Kaus dem eigenen Köörperrper
ZellenZellen
GewebeGewebe
OrganeOrgane
Mangel an Spenderorganen –– alternative Quellen
9Moderne Verfahren der Geweberegeneration 25.11.2011
Tissue Engineering – Realität
Konzept
I. Isolation von primären Zellen
II. Kultur und Vermehrung in vitro
III. Wachstum auf einer 3D
Trägerstruktur in einem Bioreaktor
IV. Transplantat
V. humane in vitro Testsysteme(Alternativen zum Tierversuch)
III.
IV.
V.
Testsysteme
I.II.
10Moderne Verfahren der Geweberegeneration 25.11.2011
vom Molekül zum Medikament
Source: PhRMA, Pharmaceutical Industry Profile 2007; http://link.brightcove.com/services/link/bcpid1541043091/bctid1541121027
• Hohe Kosten• Lange Entwicklungszeiten
Years 0 4 7 8 9 12.56
Costs m$
14.5
250 Chemikalien
10.000 synthetisierte Chemikalien (aus 100 Forschungsprojekten)
5 Chemikalien 1 Medikament
20
60 25 30 40 80 400 10
IND
subm
itted
ND
A su
bmitt
ed
Launch prep
Attrition 97,5% 80%
Basic Pre-clinical Phase I Phase IIa Phase IIb Phase IIIResearch Reg Market
Warum Alternativen zum Tierversuch?
11Moderne Verfahren der Geweberegeneration 25.11.2011
Aufbau eines dreidimensionalen humanen Hautäquivalents
Kollagen
Fibroblasten Keratinozyten
Tag 0
Kollagen undFibroblasten
Tag 1
Aussaat von Keratinozyten auf das Gel
Tag 14
Air-liftKultur
12Moderne Verfahren der Geweberegeneration 25.11.2011
humane Haut (in vivo) Hautäquivalent
Tissue Engineering & Regenerative Medizin - TestsystemeAlternativen zum Tierversuch
13Moderne Verfahren der Geweberegeneration 25.11.2011
Testdurchführung
Aufgabe der Substanz
Zellkulturmedium
Insert
Inkubation at37°C
5%CO2
1. Schritt 2. Schritt 3. Schritt
Zytokinausschüttung
Zellvitalität
FACS Analyse
Histologie und Immunhistologie
Microarray
Test
Analyse Methoden
14Moderne Verfahren der Geweberegeneration 25.11.2011
5 relevante Gene
invasiverStamm
nichtpathogen
120B12 IC72 20 h
Kontrolle 20 h
Drug Screening
C. albicans
Urban FEBS Lett. 2003
Anwendung des dreidimensionalem Hautäquivalents Untersuchungen von Infektionsvorgängen
15Moderne Verfahren der Geweberegeneration 25.11.2011
BLM-cell line infiltrate the dermis
3 D organoide Gewebeäquivalente - Hauttumor
M13 cell line build tumour nests
SK Mel 28 cell line
16Moderne Verfahren der Geweberegeneration 25.11.2011
Tissue Engineering: Problem Vaskularisation
0,8 mm kritischer AbstandMertsching, Biomaterials 2003; 24:1233-1239
Niere
Gehirn
Leber
17Moderne Verfahren der Geweberegeneration 25.11.2011
Kollagen I/III Scaffold mit tubulären Strukturen
AV
porcine jejunum
AV
VA
acellular porcine jejunumMertsching, Biomaterials 2005;26(33):6610-6617.
vaskularisierte Trägerstruktur für komplexe GewebeBioVaSc
18Moderne Verfahren der Geweberegeneration 25.11.2011
PC kontrolliertes Bioreaktorsystem
Hugo Geiger Preis 2006Lewa Preis 2006
19Moderne Verfahren der Geweberegeneration 25.11.2011
Mertsching, Biomaterials 2005;26(33):6610-6617.Schultheiss, J Urol. 2005 ;173(1):276-280.
Kultur humaner Endothelzellen auf den azellularisierten Röhrenstrukturen
Tapezieren – zur Herstellung eines Blutgefäßäquivalents
20Moderne Verfahren der Geweberegeneration 25.11.2011
Implantation im Schwein
Schultheiss, J Urology 173 (2005) 276-80
21Moderne Verfahren der Geweberegeneration 25.11.2011
vaskularisierte Matrix
Arterie
Endothelzellen
Vene
BA
ArterieVeneBlutgefäße
Gewebe-spezifische Zellen
LumenC
Prinzip der vaskularisierten 3D Gewebemodellen
Tissue Engineering & Regenerative Medizin - Testsysteme Alternativen zum Tierversuch
22Moderne Verfahren der Geweberegeneration 25.11.2011
Leber Testsystem
Schanz, J Biotechnology (2010) accepted
23Moderne Verfahren der Geweberegeneration 25.11.2011
Kapillaren
hepatocytes
Hepatozyten
in vitro Angiogenese – funktionelle Kapillaren
Schanz, J Biotechnology (2010) accepted
24Moderne Verfahren der Geweberegeneration 25.11.2011
Linke K..Tissue Engineering 2007; 13,
Tubuläre Structuren (mEC or EPC)• CD31, Ve-Cadherin, VEGF-R
Leber Gewebe• Zona Occludens-1: Tight Junctions• Pan-Cadherin: Adherence Junctions • Ki-67: Proliferation• Na-Ca-ATPase: aktive Membrankanäle• Funktion: Harnstoff- und Laktat Synthese,
Phase I and II Metabolismus CytochromP450 Enzyme (Dextrometorphan)
• vital und funktionell länger als 4 Wochen• Injektion der Substanzen über Arterie –
Analyse der Metabolite in der Vene• multiple Applikation eines Wirkstoffes
möglich
Leber Testsystem – sicherere Medikamentenentwicklung
Ki67 x400
Pan-Cadherin x 1000
Na-Ca-ATPase Schanz, J Biotechnology (2010) accepted
25Moderne Verfahren der Geweberegeneration 25.11.2011
Autologe Transplantate
Herstellung in der GMP Anlage des Fraunhofer IGB, Stuttgart
26Moderne Verfahren der Geweberegeneration 25.11.2011
Biopsie
porcines Jejunum Segment
SMC and FB Isolation
ScaffoldAzellularization
Kultur auf der Matrix
tracheobronchialeRekonstruktion
Trachea Rekonstruktion
27Moderne Verfahren der Geweberegeneration 25.11.2011
Biokompatibilitätsnachweisklinisches Tracheal patching
• Konzept Klinische Umsetzung
0
2040
60
80100
in vitro in vivocellu
lar d
istr
ibut
ion
(%) Fb MC
Erkenntnis: Tissue maturation
Walles, J Thorac Cardiovasc Surg 128 (2004) 638-41
Walles, Transplantation 80 (2005) 284-5
28Moderne Verfahren der Geweberegeneration 25.11.2011
BioVaSc Proof of concept
Walles, Transplantation 88 (2009) 203-10
29Moderne Verfahren der Geweberegeneration 25.11.2011
Danke für Ihre Aufmerksamkeit
30Moderne Verfahren der Geweberegeneration 25.11.2011
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