Echtzeitüberwachung des Metabolismus von Zellen, die in 3D-gedruckten Hydrogelen eingekapselt sind zur Entwicklung eines Leber-Sinusoidmodells
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Biotechnologisch hergestellte oder In-vitro-Lebermodelle sind in der frühen Arzneimittelentwicklung von zentraler Bedeutung, da sie zur Bewertung der arzneimittelinduzierten Lebertoxizität (DILI) dienen. Derzeit stellen viele In vitro Leber modelle (2D-Monolayer-Kulturen oder Organoide) die DILI nicht angemessen dar, da ihnen die komplizierte zelluläre Organisation und die dynamischen Strömungsbedingungen einer natürlichen Leber fehlen. In einem Lebersinusoid herrschen für Hepatozyten, Endothelzellen und andere Zelltypen dynamische Bedingungen wie Blutfluss, Glukose und Sauerstoffgradienten usw. - Die Nachahmung dieser Bedingungen in einem In vitro Modell wäre für die Untersuchung von DILI unerlässlich. Ziel des Projekts ist die Entwicklung eines In vitro Lebersinusoidmodells mit Hilfe der 3D Bioprinting Methode und die Entwicklung von Strategien zur Nachahmung der zellulären Organisation und der gerichteten Strömungsbedingungen vergleichbar zu einem natürlichen Lebersinusoid. Die gerichteten Strömungsbedingungen in bioprinted Konstrukten könnten zur Entwicklung von Nährstoff- und O2-Gradienten führen, was möglicherweise zur Etablierung einer Zonierung der Leber beiträgt. Eine Echtzeit-O2-Überwachungsmethode wurde verwendet, um die O2-Dynamik in bioprinted Konstrukten zu bewerten, welche in Verbindung zur Stoffwechselrate von Zellen in den Konstrukten gesetzt wurde. Außerdem wurde diese Methode zur Charakterisierung der O 2- Diffusionseigenschaften verschiedener bioink verwendet. Unter den untersuchten bioink wurde ein Gelatine-Alginat Komposit (GA) aufgrund seiner hohen Biokompatibilität und wünschenswerten O2-Diffusionseigenschaften als geeignete Bioink ermittelt. Die Biokompatibilität und Funktionalität von HepG2 (einer Leberkarzinom-Zelllinie) und HepaRG-Zellen wurde in GA-bioink untersucht. Die O2-Verbrauchsrate wurde in bioprinted Konstrukten, die unter normoxischen und hypoxischen Bedingungen kultiviert wurden, evaluiert. Es wurde eine Abnahme der O2-Verbrauchsrate in medikamentös behandelten bioprinted Konstrukten beobachtet. Dieser Rückgang war bei den mit Rifampicin behandelten Konstrukten im Vergleich zur Behandlung mit acetaminophen besonders ausgeprägt. Die Genexpressionsanalyse von CYP3A4 und MRP2 (im Zusammenhang mit dem Arzneimittelmetabolismus) sowie von Albumin Genen wurde an den mit Arzneimitteln behandelten Bioprinted Konstrukten durchgeführt. Eine Zunahme bzw. Abnahme der Expression von MRP2 und Albumin wurde bei mit Medikamenten behandelten HepaRG-beladenen bioprinted Konstrukten beobachtet. Durch die Herstellung hohler, mit HepG2-Zellen beladener Röhren (mit Hilfe der koaxialen 3D Bioprinting Methode) wurde ein perfusionsfähiges In vitro Lebersinusoid Modell entwickelt. Anschließend wurde das Röhrenlumen mit HUVEC besiedelt. Das Röhrenlumen wurde 5 Tage lang in einem speziell angefertigten Bioreaktor mit Kokulturmedien perfundiert. Es wurde eine vollständige Besiedlung des Röhrenlumens mit HUVEC beobachtet. Die Zugabe von 5 mM acetaminophen zum Perfusions-Kokulturmedium führte zu einer erheblichen Störung der HUVEC-Morphologie. Auf der Grundlage der in dieser Arbeit erzielten Ergebnisse kann möglicherweise eine Korrelation zwischen der O2-Dynamik in bioprinted Leberkonstrukten und der Medikamententoxizität (bewertet durch Genexpressionsanalyse) hergestellt werden. Das entwickelte perfundierbare Invitro Leber Sinusoid-Modell könnte potenziell so angepasst werden, dass eine Zonierung der Leber erreicht wird, und es könnte als geeignetes Modell zur Bewertung der Toxizität neuer Arzneimittel dienen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Oxygen-sensitive nanoparticles reveal the spatiotemporal dynamics of oxygen reduction during magnesium implant biodegradation. npj Materials Degradation, 6(1).
Zeller-Plumhoff, Berit; Akkineni, Ashwini Rahul; Helmholz, Heike; Orlov, Dmytro; Mosshammer, Maria; Kühl, Michael; Willumeit-Römer, Regine & Gelinsky, Michael
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3D bioprinting of Gelatin-Alginate bioinks for biofabrication of in vitro liver sinusoid model. Procedia CIRP, 125, 96-100.
Akkineni, Ashwini Rahul; Lode, Anja & Gelinsky, Michael
