Bioreactor- en cryotechnologieën voor betere medicijntesten met menselijke celkweken

IJvrije cryoconservering (vitrificatie) van adherente cellensystemen in het »R2U-Tox-Assay»-multiwellformaat. © Fraunhofer IBMT, Bernd Müller

Diverse bioreactor-systemen voor het kweken van iPSC's op microcarriers. © Fraunhofer IBMT, Bernd Müller. / Verschillende bioreactor-systemen voor het cultiveren van geïnduceerde pluripotente stamcellen (iPSC's) op microcarriers. © Fraunhofer IBMT, Bernd Müller

In-vitro farmacologisch en toxicologisch screeningonderzoek met neurale cellen. © Fraunhofer IBMT, Bernd Müller. / In-vitro farmacologisch en toxicologisch screeningonderzoek met neurale cellen. © Fraunhofer IBMT, Bernd Müller

Veel nieuwe ontwikkelingen van medische werkstoffen mislukken omdat, ondanks succesvolle laboratoriumtests met cellenculturen, sterke bijwerkingen bij proefpersonen optreden. Dit kan gebeuren, bijvoorbeeld, wanneer de gebruikte cellen afkomstig zijn uit dierlijk weefsel. Speciaal voorbereide cellenculturen uit menselijk weefsel, zogenaamde hiPS-cellen, maken betrouwbaardere tests mogelijk en verhogen daarmee de slaagkans in het goedkeuringsproces. Onderzoekers van het Fraunhofer-instituut hebben innovatieve oplossingen ontwikkeld voor de geoptimaliseerde productie van cellen in bioreactoren en unieke cryotechnieken. Dit effent de weg voor een efficiënte en praktijkgerichte toepassing van cellenculturen in toxiciteits- en werkstoffentests.

Wanneer in farmaceutisch onderzoek bij het testen van nieuwe werkstoffen sterke bijwerkingen bij proefpersonen optreden, staan de onderzoekers voor een dilemma. Vaak moet dan de ontwikkeling van een veelbelovende werkstof worden stopgezet en komt het geplande medicijn niet op de markt. Een oorzaak van het probleem is dat de werkstoffen meestal worden getest met in-vitro cellencultuurmodellen op basis van dierlijke cellen of in dierproeven. In beide gevallen kunnen de testresultaten slechts beperkt worden overgedragen op de mens. Derhalve bestaat het risico dat proefpersonen plotseling onaanvaardbare bijwerkingen ondervinden.

De medische wetenschap heeft grote hoop op humane geïnduceerde pluripotente stamcellen (hiPS-cellen). Deze cellen komen uit menselijk weefsel en maken daardoor veel nauwkeurigere uitspraken over de werkingswijze van stoffen mogelijk dan conventionele tests. De cellen worden eerst uit menselijk huidweefsel of een bloedmonster gehaald en ondergaan in het laboratorium een speciaal reprogrammeringsproces. Daarna zijn ze niet meer gebonden aan een bepaald weefsel, vandaar de term pluripotente stamcellen. Voor werkstoffentests kunnen de hiPS-cellen vervolgens weer worden ontwikkeld tot bijna alle celtypen van het menselijk lichaam, dus differentiëren. Het risico dat in daaropvolgende klinische tests met mensen ongewenste bijwerkingen optreden, neemt aanzienlijk af.

Bioreactor voor de opgeschaalde celproductie

De voor de tests benodigde cellen worden in bioreactoren geproduceerd. Een onderzoeksteam onder leiding van Dr. Julia Neubauer, afdelingshoofd Cryo- & Stamceltechnologie aan het Fraunhofer Instituut voor Biomedische Technologie IBMT, heeft nu een belangrijke vooruitgang geboekt bij de vermeerdering en differentiatie van hiPS-cellen in het bioreactor. »Nu is het voor het eerst mogelijk om het proces zo op te schalen dat in korte tijd grote hoeveelheden functionele cellen ontstaan«, zegt Neubauer.

De uitdaging voor de wetenschappers van het Fraunhofer-instituut in het gezamenlijke project »R2U-Tox-Assay« bestond erin te achterhalen hoe de natuurlijke omgevingsvoorwaarden in het menselijk lichaam het beste in het bioreactor kunnen worden gereproduceerd, zodat de cellen zich snel kunnen vermenigvuldigen zonder hun functionaliteit te verliezen. »Speciaal voor het bioreactor hebben wij een elastisch hydrogel als drager ontwikkeld en zelf vervaardigd. Daar voelen de cellen zich bijzonder prettig en kunnen ze zich goed vermenigvuldigen. Met de gekozen parameters kunnen wij relevante hoeveelheden van tot wel meerdere miljarden cellen produceren voor medische tests«, legt Neubauer uit.

Met de zo verkregen cellenmodellen, die kunnen worden gedifferentieerd in weefsels zoals hartspier, huid of zenuwcellen, kunnen de assays worden uitgerust voor de test en toxiciteitscontrole van medische werkstoffen. Een bijkomend voordeel: omdat het bij de hiPS-cellen om menselijke cellen gaat die nog de genomische informatie van de donor bevatten, is het mogelijk om ook voor genetisch gerelateerde ziekten passende tests van nieuwe werkstoffen op te zetten.

Snelle bevriezing in de cryotank

Een ander probleem voor farmaceutisch onderzoek of universiteitsklinieken is echter de opslag en beschikbaarheid van cellenculturen. Hier hebben de onderzoekers van het Fraunhofer-instituut hun decennia lange expertise in cryoconservering van cellen benut.

De cryoconservering bij het Fraunhofer IBMT is wereldwijd uniek. De in het bioreactor gekweekte celmodellen worden met behulp van vloeistofstikstof binnen twee seconden afgekoeld van ongeveer plus 23 naar minus 196 graden Celsius. De onderzoekers van het Fraunhofer-instituut hebben bovendien een speciale celkweekplaat ontwikkeld, waarin de cellen eerst worden gekweekt en daarna kunnen worden ingevroren. In combinatie met het snelle afkoelproces voorkomen speciale invriesmiddelen de vorming van ijskristallen in het celweefsel. Deze zouden het materiaal beschadigen en in prut veranderen. »De onaangename werking kennen iedereen die ooit aardbeien in de vriezer heeft gelegd«, grinnikt Neubauer.

Voor de beschrijving van de juiste procedure heeft de expert van het Fraunhofer-instituut Neubauer samen met haar team een gedetailleerd cryoprotocol opgesteld. Het legt parameters vast zoals de koel snelheid en de inwerktijden van de invriesmiddelen voor de respectievelijke te conserveren cellen. Het protocol garandeert dat de gevoelige humane cellenculturen na het verwijderen uit het cryobeeld en het daaropvolgende ontdooien volledig functioneel blijven. In deze gestandaardiseerde cellencultuurplaten zijn de cellenculturen vrijwel onbeperkt op te slaan en te vervoeren voor high-throughput screenings in de farmaceutische research. Klinieken en farmaceutische laboratoria kunnen cellenculturen voorraad aanleggen en hebben bij toxiciteits- en werkstoffentests altijd de juiste cellen beschikbaar.

Betere werkstoffentests voor nieuwe medicijnen

Met de verder ontwikkelde concepten voor bioreactor en cryobehuizingen wordt de weg vrijgemaakt voor de efficiënte en praktijkgerichte toepassing van de hiPS-cellen in medisch onderzoek. De klassieke in-vitro-tests met dierlijke cellen en de ethisch problematische dierproeven worden vervangen door veel preciezere testsystemen. »In totaal maken de vorderingen van »R2U-Tox-Assay« een efficiëntere en veiligere ontwikkeling van medische werkstoffen mogelijk voor de behandeling van een reeks ziekten, waaronder bijvoorbeeld hart- en oogziekten of zelfs neurologische tekorten zoals dementie«, belooft Neubauer.

Naast het net succesvol afgeronde gezamenlijke project waren ook het bedrijf Janssen Pharmaceutica N.V. en het Institute for Bioengineering of Catalonia betrokken. Het project werd gefinancierd binnen het kader van de grote EU-initiatie EIT Health.