Hautmodelle zur Reduzierung von Tierversuchen

Jeder Wirkstoff muss in der präklinischen Phase innerhalb der Arzneimittelforschung auf mögliche schädigende Wirkungen getestet werden. Zell- und Gewebekulturen, isolierte Organe oder Reagenzglastests liefern hierfür erste Antworten, das komplexe Zusammenspiel aller Organe des Körpers wird hierbei jedoch nicht berücksichtigt. Außerdem kann meist nur ein isolierter Aspekt betrachtet und nur einzelne relevante Daten ausgelesen werden. Mit Hilfe von Tiermodellen kann die komplexe Wirkung von Pharmazeutika auf den gesamten Organismus analysiert werden. Erst nach dem Aufzeigen der Unbedenklichkeit an Tieren werden die (Neben-)Wirkungen von Arzneimittel im Rahmen von klinischen Studien an Menschen untersucht. Tierversuche sind heutzutage allerdings ethisch stark umstritten sowie kosten- und zeitintensiv. Zudem ist die Übertragung der Ergebnisse von Mäusen, Ratten Kaninchen und Co. oftmals fragwürdig. Daher hat sich das ethische Prinzip der „3R“ etabliert, was das Vermeiden (Replace), Verringern (Reduce) und Verbessern (Refine) von Tierversuchen im Rahmen der Forschung und Entwicklung von neuen Wirkstoffe und Verbindungen fordert.

senetics unterstützt das 3R-Prinzip durch die Entwicklung unterschiedlicher innovativer Hautmodelle:

  • SIM-Tox: ein Simulationsmodell zur Prädiktion der Auswirkungen von neuen Wirkstoffen auf die menschliche Haut
  • in-silico Hautmodell zur Simulation von Hydrationszuständen
  • ex-vivo Hautmodelle zur Validierung oder produktbegleitenden Entwicklung von Medizinprodukten
  • in-vitro 3D-Hautmodellen zu Prüfung der Biokompatibilität
  • Technische, mehrschichtige Hautmodelle

 

SIM-Tox: in-silico Abschätzung der Toxizität von Wirkstoffen

Computergestützte Toxizitätsvorhersagen dienen als Grundlage für humane in-vitro Testsysteme zur präklinischen Testung von Arzneimitteln und Inhaltsstoffen von Medizinprodukten für die pharmazeutische Industrie und Medizinproduktehersteller. Mittels Struktur-Aktivitäts-Beziehungen werden chemische Gruppen der Testsubstanz mit bekannten und bereits auf Toxizität geprüften Wirkstoffen verglichen und die potentielle gewebeschädigende Wirkung auf die Haut in Form einer Konzentrationsangabe ausgegeben. Hierdurch können in in-vivo sowie in in-vitro Testungen zur Bestimmung der Toxizität oder Biokompatibilität sinnvolle Konzentrationen experimentell geprüft werden. Dies reduziert die Anzahl an Tierversuche und spart Material- sowie Personalressourcen, da die Konzentrationsangaben nicht experimentell getestet werden müssen.

 

Computer-Hautmodell zur Simulation von Hydrationszuständen

Das Aufzeichnen von Körperfunktionen spielt heute dank einer gesundheitsbewussten Lebenseinstellung auch im Alltag eine immer größere Rolle. Hierfür geeignet sind Sensoren, die kontinuierlich Parameter wie Temperatur, Puls oder Hautleitfähigkeit erfassen und auswerten. Ein oft nicht beachteter aber dennoch wichtiger Parameter ist der Hydrationszustand des Körpers. Der Mensch besteht zum Großteil aus Wasser, wobei das Gesamtkörperwasser etwa 60 % des Körpergewichtes ausmacht. Eine unzureichende Wasserversorgung führt zu einer Reihe von gesundheitlich bedenklichen Symptomen und Erkrankungen. Daher befinden sich zurzeit zahlreiche Produkte zur Detektion einer Dehydration über die Haut in der Entwicklung, die in Form von Wearables am Körper getragen werden können. Zur Validierung eines solchen Medizinproduktes dieser Sensorik sind kosten- und zeitaufwendige klinische Prüfungen nötig. Die Messmethodik sollte daher vorab an realitätsnahen und mit dem Menschen vergleichbaren Modellen geprüft werden. In den Laboren von senetics wurde hierfür ein in-silico Hautmodell entwickelt, wobei es sich um ein mehrschichtiges computerbasiertes Modell handelt, dass die Eigenschaften der humanen Haut aufweist. Es können verschiedene Dehydrationsgrade im Modell simuliert werden und beispielsweise eine auf mikrowellenbasierende Messmethodik evaluiert werden.

 

Hautmodelle zur Validierung von Medizinprodukten

Schon während der Entwicklung von Medizinprodukten und medizinisch relevanter Sensorik sollte die Wirksam- und Anwendbarkeit geprüft werden bevor kosten- und zeitintensive Tierversuche oder klinische Prüfung mit Probanden durchgeführt werden. senetics entwickelte mit humaner Haut vergleichbare Modelle (http://senetics.de/prueflabor/gewebemodellierung/), an denen Medizinprodukte untersucht werden können. Dadurch werden wertvolle Erkenntnisse gewonnen, ob das System Parameter an zum Menschen vergleichbaren Modellen detektieren kann. So kann das Produkt vor dem Einsatz an Probanden optimiert werden, wodurch die Anzahl an Testungen und Probanden deutlich verringert werden kann, was sich wiederum kostensenkend auf eine klinische Prüfung auswirkt.

Zum einen wurde hierfür ein ex-vivo Hautmodell aus Tierhaut etabliert. Ein Beispiel hierfür ist Schweinehaut, die zur menschlichen Haut viele Parallelen im Bau, der Permeabilität und den grundlegenden stoffwechselphysiologischen Vorgängen aufweist. Aus diesem Grund gilt deren Verwendung in diversen medizinischen Gebieten als Struktur- und Funktionsmodell für menschliche Haut schon lange als etabliert. Eine weitere Alternative, die gänzlich ohne Zellen tierischen oder humanen Ursprungs auskommt, sind technische Hautmodelle aus Ersatzmaterialien wie Silikon, Latex oder Gelatine. Als oberste Schicht fungiert die Epidermis zusammen mit der Dermis und simuliert das extrazelluläre Gewebe. Darauf folgt die Subkutis. In diese Schicht können Blutgefäßimitate eingebettet werden, welche größere Venen und Arterien darstellen. Dadurch können die natürlichen Gegebenheiten im menschlichen Körper nachgebildet werden. Die unterste und stärkste Ebene stellt die Muskelschicht dar und gewährleistet eine bestimmte Höhe des Modells. Dieses Modell ist besonders für die Simulation der elektromagnetischen Eigenschaften der Haut geeignet und kann zur Sensorevaluierung eingesetzt werden. Vorteil des technischen Modells ist die Standardisierbarkeit, Verfügbarkeit und kurze Produktionszeit.

Sowohl das technische als auch das ex-vivo Hautmodell sind geeignet, um auf einfache Art und Weise eine Dehydration zu simulieren, was je nach Anwendungsgebiet des Sensors, wertvolle Informationen liefern kann. Zudem ist die Prüfung der Applikation von Spritzen, Nadeln, Kanülen, chirurgischen Klammern oder auch HF-chirurgischen Instrumenten an den technischen Hautmodellen oder auch an ex-vivo Hautmodellen möglich, um die Produkte im Rahmen der Entwicklung zu prüfen oder bei Kunden vorzuführen.

Neuartige Materialien für die Entwicklung von Medizinprodukten oder auch äußerlich anwendbare Medikamente und Pharmazeutika können im biologischen Testlabor von senetics mithilfe von humanen in-vitro 3D-Hautmodellen auf hautirritierende und reizende Wirkung geprüft werden. Diese in-vitro Systeme bilden die in-vivo Situation möglichst realitätsgetreu nach und bieten z.B. zur Prüfung der Zytotoxizität neuer Materialien eine wirksame und aussagekräftige Alternative zu bislang durchgeführten Testreihen an der Mensch-Maschine-Schnittstelle. Zudem sind sie teilweise bereits offiziell zur Evaluierung von Medizinprodukten zugelassen. Langfristig wird es damit möglich, unter Berücksichtigung der 3R-Leitlinie, Tierversuche zu reduzieren und veraltete Nachweismethoden abzulösen.

Alle Modelle sind für die Validierung verschiedener Sensoren und Medizinprodukten sowie andere Fragestellungen, wie Tape Stripping Tests, geeignet. Gerne etablieren wir ein Modell, das genau Ihre Anforderungen erfüllt, um die Wirksamkeit oder Anwendbarkeit Ihres Medizinproduktes zu prüfen. Wir freuen uns auf spannende Anfragen!

Hautmodell skin

Abbildung 1: Verschiedene Gewebemodelle als Ersatz zu menschlicher Haut
A: 3D-Hautmodelle gezüchtet aus humanen Zellen
B: ex-vivo Hautmodell
C: Hautmodelle aus technischen Ersatzmaterialien
D: in-vitro 3D-Hautmodell