Im Jahr 2015 entdeckte Katsunori Tsuchiya, ein Forschungs- und Entwicklungsleiter bei Dai Nippon Printing Co., Ltd. (DNP), dass Stammzellen, die auf einem von ihnen entwickelten strukturierten Kultursubstrat angesiedelt wurden, sich in Darmzellen differenzierten und innerhalb von nur 90 Tagen den Darmtrakt bildeten.
Das dreidimensionale Organ, das Tsuchiya und sein Team erfolgreich herstellten, wird als „Mini-Darm“ bezeichnet, da es die gleichen Absorptions- und Sekretionsfähigkeiten wie der Darmtrakt eines lebenden Organismus besitzt und zudem peristaltische Bewegungen aufweist.* Sein maximaler Durchmesser beträgt etwa 1 cm.
Der „Mini-Darm“ wurde vom National Center for Child Health and Development (NCCHD) in Zusammenarbeit mit Forschern von DNP und der Universität Tohoku entwickelt, und die Forschungsergebnisse wurden im Januar 2017 in der amerikanischen medizinischen Fachzeitschrift „Journal of Clinical Investigation“ veröffentlicht. Dies war die weltweit erste bemerkenswerte Leistung bei der Erzeugung eines Organs mit Darmfunktionen in vitro aus menschlichen ES-Zellen und iPS-Zellen.
Hinter den Kulissen dieser Forschungspräsentation leistete DNP einen wichtigen Beitrag durch den Einsatz seiner „Dünnschicht-Mehrschichttechnologie“. Dabei handelt es sich um eine Weiterentwicklung seiner Drucktechnologie, die es ermöglicht, mehrere funktionelle Materialien dünn und gleichmäßig zu beschichten.
- Peristaltik: Eine Bewegung im Verdauungstrakt von Tieren, die aus Wellen von Muskelkontraktionen besteht, wie beispielsweise die Fortbewegung von Würmern und anderen Würmern.
„Durch die Anwendung der Dünnschicht-Multilayer-Technologie von DNP auf das Kultursubstrat konnten wir pluripotente Stammzellen wie ES-Zellen und iPS-Zellen in Zellen mit verschiedenen Darmfunktionen differenzieren und die Fähigkeit von Zellen mit denselben Funktionen zur Selbstorganisation hervorheben. Als ich die kultivierten Zellen direkt vor meinen Augen peristaltische Bewegungen ausführen sah, genau wie im menschlichen Darm, konnte ich es kaum fassen“, erinnert sich Tsuchiya. Für Tsuchiya, der seit vielen Jahren in der Entwicklung von Tinten, Displays, elektronischem Papier und vielem mehr tätig ist, war dies ein Moment, in dem er die Wunder der Lebenswissenschaften erneut erkannte.
Pluripotente Stammzellen wie embryonale Stammzellen (ES-Zellen) und induzierte pluripotente Stammzellen (iPS-Zellen) besitzen die Fähigkeit, sich in alle Zelltypen zu differenzieren. Es wird erwartet, dass Zellen, die für die Entwicklung neuer Therapien und Medikamente nützlich sind, in vitro erzeugt werden können. Weltweit wird daher intensiv an der regenerativen Medizin mit diesen humanen pluripotenten Stammzellen geforscht. In den letzten Jahren wurden anspruchsvolle Forschungsarbeiten zur Erzeugung komplexer Organe, sogenannter Organoide, in vitro durchgeführt, um Organe zu erzeugen, die denen lebender Organismen ähneln.
Die Herstellung von Organoiden wie dem Darm, der eine komplexe Struktur und Funktion aufweist, stellt jedoch eine große Herausforderung dar. Der Darm erfüllt Verdauungs-, Absorptions- und Immunfunktionen sowie peristaltische Bewegungen. Die Erzeugung von Organoiden mit solch vielfältigen Funktionen in vitro galt bisher als äußerst schwierig.
Die DNP-Technologie trägt zur Lösung von Problemen bei
Die Technologie von DNP löste diese Probleme und ermöglichte die erfolgreiche Herstellung von Mini-Darmorganoiden. DNP nutzte seine langjährigen Erfahrungen in der Plattenherstellung (Druckplatten), Beschichtung und Musterung (präzise Musterbildung), um das Substrat für die Zellkultivierung zu optimieren. Im Folgenden wird die Anwendung beschrieben.
Mini-Darm-Erzeugungsprozess auf dem Zellmusterkultursubstrat "CytoGraph®"
Auf die Oberfläche eines Glas- oder Kunststoffsubstrats wird ein spezielles Material in einer Dicke von wenigen Nanometern (10⁻⁹) aufgetragen. Anschließend wird darüber ein polymeres Material, an dem Zellen nicht haften, ebenfalls in einer Dicke von wenigen Nanometern aufgebracht (Beschichtung). Die Zellen haften nicht an dem so hergestellten Substrat. Durch Bestrahlung eines bestimmten Bereichs mit ultraviolettem Licht wird die obere Polymerschicht jedoch abgetragen, wodurch eine Oberfläche entsteht, an der Zellen haften können (Plattenherstellung).
Durch das Erstellen eines Musters auf dem Substrat mit und ohne Polymerschicht und das anschließende Aufbringen von Zellen darauf sammeln sich die Zellen nur in den Bereichen, in denen sie haften können, da keine Polymerschicht vorhanden ist, wodurch ein gemusterter Zellcluster entsteht.
Die so hergestellten Mini-Därme können, mit Nährstoffen versorgt, über längere Zeit im Reagenzglas aufbewahrt werden und ermöglichen so kontinuierliche Arzneimitteltests. Aus diesem Grund arbeiten NCCHD und DNP daran, die Mini-Därme als äußerst innovatives Testobjekt in der Arzneimittelentwicklung praktisch anzuwenden. Sie streben an, bis 2021 eine stabile Produktionstechnologie für Mini-Därme zu etablieren und bis 2022 die Massenproduktion durch DNP zu ermöglichen, um diese dann an Pharma- und Prüfunternehmen zu liefern.
Obwohl der Mechanismus, der der Entstehung von Mini-Därmen zugrunde liegt, erst jetzt allmählich aufgeklärt wird, wird DNP in Zusammenarbeit mit NCCHD, einem der führenden Stammzellforschungsinstitute Japans, weiterhin an diesem Thema arbeiten.
Geschichte des Life-Sciences-Geschäfts von DNP
DNP hat zahlreiche Produkte mithilfe von Drucktechnologie mit Verarbeitung im Mikrometer- (10⁻⁶) und Nanometerbereich hergestellt. Auf Basis dieser Technologie konzentriert sich das Unternehmen auf die Geschäftsentwicklung im Bereich der Biowissenschaften. Die Geschichte des Unternehmens begann 1985 mit einem Urintestkit. Mithilfe der damals entwickelten Enzymtintentechnologie hat DNP seither Speichelteststreifen und Schwangerschaftstests auf den Markt gebracht und stellt Verpackungsmaterialien für Pharmazeutika und Medizinprodukte her.
Zellkulturgefäße, die die Dünnschicht-Mehrschichttechnologie von DNP anwenden
DNP begann Anfang der 2000er Jahre mit umfassender Forschung und Entwicklung im medizinischen Bereich. 2004 entwickelte DNP in einem gemeinsamen Forschungsprojekt mit der Tokyo Medical and Dental University ein Verfahren zur Übertragung strukturierter Zellkulturen auf ein Substrat, um Kapillaren mit einem Durchmesser von ca. 10 Mikrometern zu erzeugen. Dabei wandte DNP seine Photomaskentechnologie (eine Masterplatte aus der Halbleiterproduktion) an. Im Jahr 2006 startete DNP eine gemeinsame Forschung im Bereich der regenerativen Medizin mit dem Institut für fortgeschrittene biomedizinische Wissenschaften der Tokyo Women's Medical University. 2008 etablierte DNP in Zusammenarbeit mit der Tokyo Women's Medical University und weiteren Partnern eine effektive Produktionstechnologie für Zellkulturfilme für die regenerative Medizin mittels Drucktechnologie. Darüber hinaus entwickelte DNP seine Zellstrukturierungstechnologie gemeinsam mit der Tokyo Medical and Dental University weiter und brachte Japans erstes zellstrukturiertes Kultursubstrat „CytoGraph®“ auf den Markt. Diese Technologie bildete die Grundlage für das Substrat, das zur Herstellung des Mini-Darms verwendet wurde.
Diese Erfolge erregten die Aufmerksamkeit des NCCHD. Bis dahin hatte DNP Substrate mit besonderen Zelladhäsionseigenschaften entwickelt und Zellen aus lebenden Organismen wie Blutgefäßen, Herz und Knochen kultiviert. Das NCCHD hingegen war überzeugt, dass die gezielte Kultivierung pluripotenter Stammzellen eine beispiellose Kontrolle der Zelldifferenzierung ermöglichen könnte, und so begann 2011 eine umfassende Forschungskooperation.
Anschließend wurde 2014 der Regenerative Medicine Promotion Act verabschiedet, der private Unternehmen dazu ermutigte, in den Bereich der regenerativen Medizin einzusteigen, und DNP begann, sich stärker auf sein Life-Science-Geschäft, einschließlich Zellkultursubstrate, zu konzentrieren.
Das aktuelle Ziel von DNP ist es, eine stabile Versorgung von Pharmaunternehmen mit Mini-Därmen sicherzustellen, die diese dann zur Entwicklung neuer Medikamente für Krankheiten wie angeborene Dünndarmerkrankungen, Colitis ulcerosa und chronisch-entzündliche Darmerkrankungen unbekannter Ursache, wie beispielsweise Morbus Crohn, nutzen werden.
Könnten Mini-Därme in der Arzneimittelentwicklung eingesetzt werden, wären für Pharmaunternehmen erhebliche Kosteneinsparungen zu erwarten. Beim Screening von Wirkstoffkandidaten ließen sich Organoide, die dem menschlichen Körper nachempfunden sind und Organen extrem ähnlich sind, nutzen, um Daten zu chemischen Reaktionen zu sammeln und auf dieser Grundlage nach geeigneten Verbindungen zu suchen. Zudem wäre es möglich, die Wirksamkeit und Sicherheit von Medikamenten ohne Tierversuche zu bestätigen.
Tatsächlich erfordert die Entwicklung neuer Medikamente enorme Investitionen. Laut der Studie „Zeitaufwand und Kosten der Medikamentenentwicklung – Ergebnisse einer Umfrage“, veröffentlicht in der Forschungsreihe Nr. 59 (Juli 2013) des Pharmaceutical Industry Research Institute, belaufen sich die durchschnittlichen Gesamtinvestitionen pro Forschungs- und Entwicklungsprojekt zur Medikamentenentwicklung auf 50 Milliarden Yen. Darüber hinaus erhält von allen Medikamentenentwicklungsprojekten, die präklinische Tierversuche bis hin zu klinischen Studien am Menschen durchlaufen, letztendlich nur eines von 5,6 die Zulassung. Mit anderen Worten: Trotz enormer Investitionen werden nur sehr wenige Medikamente zugelassen.
Die Forschungs- und Entwicklungsabteilung 3 für Konvertierungstechnologie, die zum Forschungs- und Entwicklungszentrum gehört, dessen Geschäftsführer Tsuchiya ist, hat sich die kontinuierliche Produktion von Mini-Därmen zum Ziel gesetzt und betreibt seit 2017 eine Zellverarbeitungsanlage (CPF) innerhalb der DNP Kashiwa Forschungseinrichtung. In diesem Labor werden Bakterien streng kontrolliert; die Mitarbeiter müssen ihre Kleidung zweimal wechseln, bevor sie das Labor betreten dürfen, und es sind jeweils nur zwei Personen gleichzeitig zugelassen.
Die zukünftige Herausforderung besteht in der weiteren Anwendung der DNP-Technologie.
Die meisten Mitglieder von Tsuchiyas Abteilung haben einen Hintergrund in den Lebenswissenschaften und haben Biologie oder Pharmakologie studiert. Tsuchiya selbst spezialisierte sich am DNP auf Materialwissenschaften, doch seine Erfahrungen bei einem Biotechnologieunternehmen während seines Aufenthalts in den USA (2005–2009) wurden anerkannt, und er wurde 2010 in seine jetzige Abteilung versetzt. „Anfangs konnte ich die Situation nicht verstehen, aber nach und nach faszinierten mich Zellen. Wenn man zehn Zellen hat, verhält sich jede einzelne anders. Ihre Empfindlichkeit und die Tatsache, dass sie schwer zu kontrollieren sind, faszinieren mich.“
Tsuchiya ist außerdem Vorstandsmitglied des Regenerative Medicine Innovation Forum, eines eingetragenen Vereins, der sich für regenerative Medizin einsetzt. „Mit diesen Aktivitäten wollen wir die Präsenz von DNP im Bereich der regenerativen Medizin stärken“, erklärt er und besucht Unternehmen, Ministerien und Behörden, um die Verbreitung dieser Medizin voranzutreiben.
Eine zukünftige Herausforderung besteht darin, die Technologie von DNP stärker mit den Lebenswissenschaften zu verknüpfen. „Um DNP im Bereich der Lebenswissenschaften einzigartig zu machen, müssen wir die von DNP entwickelte Drucktechnologie in diesem Feld weiter ausbauen. Entscheidend dafür ist, dass jeder Forscher die Technologie vollständig versteht und über ihre Anwendungsmöglichkeiten nachdenkt“, sagte er und zeigte sich begeistert von der Weiterentwicklung im Bereich der Lebenswissenschaften.
- Veröffentlichungsdatum: 16. April 2018
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16. April 2018, Redaktion Discover DNP
