Humanes Lungenmaterial zur Erforschung von Erkrankungen des Respirationstrakts

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In-vitro-Modelle bieten Einblicke in die humane Physiologie, aber kaum in Organfunktionen. Im Gegensatz dazu können Organfunktionen in In-vivo-Modellen gezeigt werden, aber ohne humane Physiologie. Ex-vivo-Modelle enthalten beide Aspekte.

Atmen wollen, aber nicht können: Reagieren unsere Lungen auf harmlose Substanzen mit einer heftigen Abwehr, nennt man diese überschießende Immunreaktion allergisches Asthma. Dabei kommt es zu einer Verengung und Entzündung der Atemwege bis in die feinsten Luftwege und Lungenbläschen (Bronchiolen und Alveolen) und zu einer bronchialen Hyperreagibilität, wie die Überempfindlichkeit auf unspezifische Reize wie kalte Luft auch bezeichnet wird.

Seit Jahren steigt die Häufigkeit von allergischem Asthma steil an. Aber nicht nur Asthma ist auf dem Vormarsch: Auch andere bedrohliche Erkrankungen des Respirationstrakts wie die chronisch obstruktive Lungenerkrankung, auch COPD genannt, Fibrose und Infektionskrankheiten gewinnen an Bedeutung.

Gleichzeitig steckt die heutige Pharmaforschung in einer Krise: Für die Entwicklung von neuen Medikamenten müssen viele Millionen Euro investiert werden. Ob ein neues Medikament anschließend auf den Markt kommt, bleibt bei der Entwicklung lange offen. Dabei zeigt sich, dass Tiermodelle nur eine eingeschränkte Vorhersagekraft haben und frühzeitig Modelle genutzt werden müssen, die essenzielle Elemente in der Pathologie des Menschen widerspiegeln und auf humanen Zellen und Geweben basieren.

Das Fraunhofer ITEM entwickelt sogenannte Ex-vivo-Kulturen von menschlichen Explantaten und verwendet diese zur Wirksamkeitstestung von neuen Medikamenten – damit Menschen, die atmen wollen, wieder atmen können.

Präzisionsschnitte der Lunge (PCLS)

Ex-vivo-Lungenexplantante sind lebende, dreidimensionale Gewebeschnitte der Lunge. Sie werden auch als Precision-Cut Lung Slices (PCLS) bezeichnet. In PCLS sind nahezu alle normalerweise in der Lunge vorkommenden Zellen vorhanden. So finden sich zum Beispiel Epithelzellen, Endothelzellen, glatte Muskelzellen, Fibroblasten, Mastzellen und Nervenfasern. Die Zellen sind biologisch aktiv, sie kommunizieren miteinander und reagieren auf zellspezifische Stimuli.

Im Labor gestalten sich die Arbeiten wie folgt: Das Organ Lunge besitzt keine feste Eigenform und hat eine sehr weiche Konsistenz. In einem speziellen Verfahren muss die Lungenfestigkeit erhöht werden, damit das Gewebe mit einem Mikrotom präzise und fein geschnitten werden kann. Danach werden die Gewebeschnitte in Gegenwart von Substanzen oder Medikamenten in Kultur genommen. Nach Stunden bis Tagen lässt sich die Reaktion des Gewebes beobachten. So kommt es zum Beispiel zu mikroskopischen Veränderungen der Atemwege im Gewebe selbst oder zur Freisetzung von Signalmolekülen.

Wir am Fraunhofer ITEM verfügen über jahrelange intensive Erfahrung auf hohem Niveau. Wir sind eines von weltweit drei Labors, die die Technik standardisiert und validiert haben – unter der Federführung des Fraunhofer ITEM.  

Mit humanen Lungenschnitten Tierversuche verringern

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Humane PCLS sind ganz im Sinne des 3R-Konzepts nach Russel und Burch: Es werden Tierversuche vermieden (Replacement), reduziert (Reduction) und die Belastung für Tiere wird verringert (Refinement). Es kann zwar auf absehbare Zeit auf Tierversuche nicht ganz verzichtet werden, dennoch bieten alternative Verfahren wie humane Lungenschnitte eine Entlastung in Tierversuchen. Dafür ist die Technik mehrfach mit Tierschutzpreisen ausgezeichnet worden.

In-vitro-Toxikologie im Fraunhofer ITEM

Forschungsschwerpunkt "Tierversuchsfreie Methoden in der Toxikologie"