Am 25. Oktober 2018 trafen sich Experten für Zellkulturtechnik im Campus Gruental Wädenswil der Zürcher Hochschule für angewandte Wissenschaften zum TEDD Meeting, um innova­tive Zellmodelle für industrielle Anwendungen kennenzulernen. Diese TEDD-Veranstaltung bot den Netzwerkpartnern die Gelegenheit, ihre Forschungs­aktivitäten zu präsentieren.

Das TEDD Kompetenzzentrum (Tissue Engineering for Drug Development and Substance Testing) an der ZHAW Wädenswil ist ein in der Schweiz ansässiges Innovationsforum, das sich der Weiterentwicklung der 3D-Zellkulturtechnologie und organahnlicher Gewebemodelle für die Medikamentenentwicklung, der Wirkstoffprüfung und regenerativer Medizin widmet. Es gehört zum biotechnet Schweiz, dem Branchenverband der schweizerischen Biotech-Unternehmen. Durch die Organisation von Workshops bündelt und transferiert TEDD Wissen und Technologien, um die Weiterentwicklung der in-vitro-3D-Zellkultur-Technologien sowie die breite Anwendung innovativer 3D-Gewebemodelle voranzutreiben. Mit seinen akademischen, klinischen und industriellen Partnern ist TEDD ist ein leistungsfähiges Netzwerk, das das gesamte Spektrum der Entwicklung und Wertschöpfungskette der 3D-Gewebstechnologie abdeckt.
Das TEDD wurde 2010 gegründet. Es umfasst international ca. 100 Mitglieder, die sich alljährlich an verschiedenen Orten der Schweiz zur TEDD Jahresversammlung treffen. Dieses Jahr fand sie wieder Wädenswil statt. Dazu wurden international bedeutende Referenten eingeladen, wie z. B. Prof. Mark Ferrer, Prof. Stefan Przyborsky und andere. Prof. Michael Ragunath eröffnete das Meeting.
In der Pause präsentierten zahlreiche Aussteller im Gewächshaus der Hochschule ihre Produkte. So z. B. einen Bioprinter, der  mit einer neuen vielversprechenden Technologie Tröpfchen absetzt, die jeweils etwa 10.000 bis 30.000 Einzelzellen enthalten. Diese sollen sich später, durch geeignete Wachstumsfaktoren angeregt, selbst in funktionstüchtigen Gewebestrukturen organisieren.
Die Teilnehmer hatten Gelegenheit, weiterführende Gespräche mit den 15 internationalen industriellen Ausstellern zu führen.
In den letzten zwei Jahrzehnten wurden bedeutende wissenschaftliche Entdeckungen gemacht und technische Fortschritte in den Bereichen der Wirkstoffforschung und der Translationsmedizin sowie Fortschritte in prädiktiven In-vitro-Modellsystemen erzielt. Aktuell haben Mikrofabrikationstechniken und Tissue Engineering die Entwicklung einer breiten Palette von 3D-Zellkulturtechnologien ermöglicht, einschließlich Hydrogele und 3D-Bioprinting sowie der Kultur vielzelliger Sphäroide und Organoide.
Experten aus verschiedenen Forschungsgebieten mit einem gemeinsamen Interesse an fortgeschrittenen 3D-Modellen kamen am diesjährigen TEDD Annual Meeting zusammen, um eine verbesserte Zusammenarbeit zwischen Entwicklern von 3D-Zellkulturen und Experten für fortgeschrittene Analysemethoden zu erreichen. Partnerunternehmen wie Promega, Cellbox, Greiner bio-one, Bachem, OLS und Organovos unterstützen das TEDD-Meeting. Ein Panel von «Analysemodellen» wurde von Referenten aus Wissenschaft und Industrie präsentiert. Komplexe Assays mit 3D-Zellmodellen wurden in Bezug auf Bildgebung, Analyse, Quantifizierung und Automatisierung verglichen mit etablierten 2D-Methoden. Verbesserungen in der Bildgebungsmodalität, Datenerfassungsdurchsatz und Analysewerkzeuge sind für die weite Verbreitung von 3D-Zellkulturen für das Screening wichtig und wurden daher in den Fokus gestellt.

Effizientes Wirkstoffscreening
Die Keynote des TEDD-Meetings behandelte das Thema Wirkstoffscreening unter Verwendung von von Biofabrikat-Gewebe in 3D-Modellen. Für Dr. Mark Ferrer vom NCATS Chemical Genomics Center in Bethesda, USA, war das Verständnis der molekularen Grundprinzipien verschiedener Erkrankungen von 3D-Wirkstoffforschungsprozessen bei der Wirkstoffentwicklung von besonderem Interesse. Die Gruppe von Ferrer befasst sich mit dem Screening großer Datensätze zur Identifizierung von Wirkstoffzielen, ebenso wie mit dem Screening von speziellen Bibliotheken zur Wirkung von Medikamenten und die pharmakologischen Kartierung von Krankheiten. Zudem führt die Gruppe ein umfassendes pharmakologisches Profiling von Wirkstoffkombinationen durch und entwickelt innovative Informatikmethoden für die Analyse.
Die zentrale Frage bei der translationalen In-­vitro-Forschung ist also: Sind die Modelle in der Lage, die Wirkung der Arzneimittel vorherzusagen? Um die Entwicklung robuster, skalierbarer und reproduzierbarer 3D-Gewebemodelle mit hoher Durchsatzkapazität von Zellkultur-Projekten für vorklinische Wirkstofftests voranzutreiben, besteht großer Bedarf an systematischer physiologischer und pharmakologischer Validierung und Forschung.
Ziel ist es, in laufenden und zukünftigen Studien Aufschluss darüber zu erhalten, wie 3D-Gewebemodelle besser vorhersagbar sind und ob Risiken von Misserfolgen gesenkt werden können.

Zellkultur-Technologien zur Erzeugung von In-vivo-ähnlichen Gewebemodellen
Prof. Przyborski, Durham University und Reprocell Europe, UK, legte den Grundstein für eine Kooperation seines Unternehmens Reinnervate mit dem japanischen Unternehmen Reprocell, als er Stammzellen auf flachen Oberflächen untersuchte. Das führte dazu, dass die Zellen abflachten und die Kugelform verloren, die sie normalerweise im Gewebe annehmen. Daher entwickelten Przyborski und seine Kollegen ein 3D-Polystyrol-Material namens Alvetex, um das Problem der Veränderung der Stammzellformen in künstlicher Umgebung zu lösen. Humane Gewebe bestehen aus unterschiedlichen Zelltypen, die vielschichtig untereinander abgestimmt sind und eine Signalisierung von Zell -Zell-Interaktionen ermöglichen. Unter Anwendung der 3D-strukturiertenTechnologie, die in Ferrers Forschungsgruppe entworfen wurde, können organotypische 3D-Modelle verschiedener menschlicher Gewebetypen erstellt werden, die In-vivo-ähnliche Wachstumsbedingungen ermöglichen und auf Zellebene Strukturen schaffen, die ihren natürlichen Pendants ähneln.
Das Gerüst besteht aus einem porösen Polystyrol-Material, das in eine 200 μm dicke Membran eingebaut ist, die auf verschiedene Arten präsentiert wird, einschließlich Platten mit mehreren Vertiefungen und Vertiefungseinsätzen für die Verwendung mit herkömmlichen Kulturkunststoffen und Medium-Perfusionssystemen. Diese Technologie wird implementiert, um in Co-Kultur-Modellen neue Anwendungen zu testen. Beispiele dafür wären ein menschliches Hautkonstrukt, das Hautfibroblasten und Kera­tinozyten umfasst sowie eine Neuronen-Glia-Co-Kultur, um ein Modell des Neuritenwachstums in Wechselwirkung mit Astrozyten zu erstellen. Dabei wird besonders auf die besondere Situation bei Rückenmarksverletzungen eingegangen. Ein weiteres Modell simuliert die menschliche Darmschleimhaut und zielt darauf ab, ein 3D-Modell des menschlichen Darms zu entwickeln, um zu beurteilen, wie Medikamente im Darm transportiert und aufgenommen werden. Die Struktur der menschlichen Darmwand kann mit der Alvetex-Technologie In-vitro reproduziert werden. Derzeit wird das Modell erweitert, um Immunzellen miteinzubeziehen, die bei Entzündungsreaktionen eine Rolle spielen.
Mit diesen Methoden lassen sich das Screening von Medikamenten, Validierungsstudien und die Modellierung von Krankheiten mithilfe einfacher Forschungsinstrumente untersuchen.

Überwachung von Zellkulturbedingungen
CSEM ist eine Forschungs- und Technologie-Organisation im schweizerischen Neuenburg, die seit 1984 angewandte Methoden für die Indus­trie entwickelt. CSEM arbeitet an der Entwicklung einer Zellkultur-Überwachungslattform, die kostengünstige Einwegsensoren als Erfassungseinheiten verwendet.
In den letzten Jahrzehnten fand eine Verschiebung von traditionellen Bioprozessen in großtechnischen Stahlbioreaktoren hin zu komplexen Zellkulturtechnologien statt. Neue Technologien wie individualisierte Zelltherapie oder Wirkstoff-Screening mit Body-on-a-Chip-Systemen sind entstanden. Dieser Trend hat auch die Analyse und das Screening von Bioprozessen beeinflusst. Daher sind innovative analytische Lösungen zur Kon­trolle von Bioprozessen erforderlich. Bisher müssen Echtzeit-Bioprozess-Überwachungssysteme insbesondere für kleine Bioprozesse durch Experten standardisiert und implementiert werden. Die Forschungs- und Technologieorganisation CSEM bietet eine Lösung für die Bioprozess-Analyse an: eine automatisierte, benutzerfreundliche Probenüberwachungsplattform.
Wie Dr. Dieter Ulrich, CSEM, ausführte, ist die Kontrolle von Bioprozessen entscheidend, um eine optimierte Produktion von voll lebensfähigen Zellen zu erreichen, um eine optimierte Produktion von voll lebensfähigen Zellen mit einer verbesserten Produktqualität zu erreichen.Die kleine analytische Software von CSEM ist ein Schritt auf dem Weg zu einer kostengünstigen Überwachungstechnologie, die den zukünftigen industriellen Bedarf erfüllt. Der elektrochemische Nachweis von Metaboliten und Ionen erfolgt quasi in Echtzeit über eine automatisierte Probenentnahmeplattform. Die analytische Plattform kann sowohl für mikrobielle als auch für Säugetierzellbioprozesse verwendet werden. Das Plattformkonzept ist für den Anschluss an eine Vielzahl von Mini-Einweg-Bioreaktoren und für die direkte Steuerung des Bioprozesses durch Rückkopplungsschleifen ausgelegt.

Wirkstoff-Screening mit Zwei-Photonen-Mikroskop
Wie verbindet man eine hochauflösende Zelldia­gnostik mit Mikrofluidik, sodass ein High-throughput-Screening möglich ist? Zweidimensionale Zellkulturen spiegeln nicht die In-vivo-Situation wider. Daher ist es wichtig, 3D-Modelle für Wirkstoff-Screening Anwendungen zu entwickeln.
Die Gruppe um Martin Rausch, Novartis entwickelte Compound-Screening-Assays mit mittlerem Durchsatz, um in Zellkulturen in 3D, hochauflösende Bilder von Gewebestapeln zu erzeugen, ein neues Bildgebungssystem, das auf einem invertierten Multi-Photon-Mikroskop basiert. Dieses ermöglicht die High-throughput Abbildung von 3D-Zellkulturen, die in konventionellen 24 bis 384-Well-Platten wachsen.
Ein vielversprechendes Instrument bei der Behandlung von Muskel-Skelett-Erkrankungen wird in Zukunft die Microfluid-Bioprinting-Strategie zur Herstellung gefässartiger Gewebestrukturen sein. Dabei werden wechselnde Schichten von Bioink auf Fotopolymerisationsgelatine-Methacryloyl-Basis und Zellsuspensionen in Hantelform auf neuartigen Postholder-Zellkultureinsätzen in 24-Well-Platten hergestellt. Um und zwischen den Gerüststrukturen werden Monokulturen von Skelettmuskelzellen gedruckt. Die Zellen zeigen eine hohe Lebensfähigkeit in Kultur, nachgewiesen durch die Calcium-Signalübertragung mit Fluo4-beladenen Zellen während der elektrischen Stimulation, und eine gute Gewebedifferenzierung, basierend auf Markergen- und Proteinexpressionen.

Screening von Proben mit lichtblattbasierter Fluoreszenzmikroskopie (LSFM)
Wie verläuft die Entwicklung und die Ausdifferenzierung von Zellen, Zysten, Organoiden, Spheroiden, embryonalen Körpern, Gewebeschnitten und kleinen Modellorganismen? Wie lässt sie sich plastisch und minutiös beobachten? Für diese Analysen verwenden Forscher um Prof. Dr. Ernst H.K. Stelzer, Goethe-Universität Frankfurt am Main, die konfokale Fluoreszenzmikroskopie. Dazu werden die interessierenden Substanzen in den Zellen Fluoreszenz-markiert und ihre drei­dimensionale Verteilung mit der Kamera aufgezeichnet. Der Vortrag konzentrierte sich auf die Entwicklung neuer Mikroskope und Bildverarbeitungssoftware, die in der Lage ist, Millionen von großformatigen Bildern für verschiedene Anwendungen zu verarbeiten.
Im Allgemeinen bietet die Fluoreszenzmikroskopie einen hohen Kontrast, da nur spezifisch gelagerte zelluläre Komponenten beobachtet werden, während alle anderen Strukturen „dunkel“ bleiben. Eines der wenigen Instrumente, das eine dynamische dreidimensionale Abbildung auflösen kann, ist die auf Lichtbogen basierende Fluor­eszenzmikroskopie (LSFM). Besondere Vorteile von LSFM sind eine gute axiale Auflösung, die Bildgebung entlang mehrerer Richtungen, tiefere Gewebedurchdringung aufgrund der geringen numerischen Apertur der Beleuchtungsobjektivlinse, hohes Signal-Rausch-Verhältnis, uneingeschränkte Kompatibilität mit fluoreszierenden Farbstoffen und Proteinen, reduziertes Bleichen von Fluorophoren und eine ausgezeichnete Lebensfähigkeit der Probe. Das Ziel der Technologie besteht darin, anhand der Erfassung biophysikalisch korrekter Parameter eine passgenaue Entwicklung von Medikamenten zu ermöglichen.

Hochdurchsatz-Screening mittels Durchflusszytometrie
FGen ist ein Schweizer Start-up-Unternehmen, das in Basel als Spin-off der ETH Zürich gegründet wurde. Als Vertragsforschungsorganisation entwickelt Fgen für Partner aus Biotech, Life Scien­ces und Pharma effiziente Bioprozesse und neue Biopharmazeutika.
Die Analyse großer Zellbibliotheken oder komplexer Zellpopulationen ist ein wichtiger Prozess in der pharmazeutischen Forschung und Entwicklung, wie Andreas Meyer von FGen, darlegte. Aktuelles Ziel von Fgen ist eine Matrix-basierte Technologie, die ein Screening von Zellen mit hohem Durchsatz bei einer Rate von mehr als einer Million Klonen pro Tag ermöglicht. Dazu werden einzelne Zellen in Nanoliter-Reaktoren (NLRs) mit einem Durchmesser von 200 µm zu klonalen Spheroiden oder 3D-Zellclustern vermehrt. Basierend auf einem Fluoreszenzsignal, das bspw. durch Markieren eines Oberflächenmarkers erzeugt wird, werden die NLRs mittels Durchflusszytometrie analysiert. Geplant ist, zunächst eine Technologieplattform zur Isolierung spezifischer Krebszellen aus komplexen Zellmischungen einzusetzen und die Identifizierung von Wirkstoffzielen, schliesslich neue Biologika, durch Hochdurchsatz-Screening von Zellbibliotheken voranzutreiben.

Präzisionsmedizin zwischen Genen und Patienten
Sun Bioscience entwickelt Life-Science Technologien um patientenspezifische Organoide, 3D-Miniaturgewebe mit Organfunktionen, die aus Stammzellen hergestellt werden, zu standardisieren und zu skalieren. Sie können für die pharmazeutische Wirkstoffforschung und Toxizitäts-Abschätzung verwendet werden.
Sylke Hoehnel, CEO von SUN Bioscience, ist davon überzeugt: Organoide, aus Stammzellen stammende Patientengewebe, die im Labor gezüchtet werden können, werden einen Durchbruch in der Präzisionsmedizin bewirken. Das Biomarker-Set Gri3D erlaubt es, homogene Reihen von Organoiden eines Patienten innerhalb einiger Wochen oder Monate aus Stammzellen zu produzieren und Organoide für den zeit- und kosteneffektiven Einsatz in pharmazeutischen Screenings und in der klinischen Diagnostik zu standardisieren. Mit der Gri3D-Technologie wird derzeit in einer Pilotstudie die Variabilität der Behandlungsreaktion bei Mukoviszidose mithilfe von Darm-Organoiden des Patienten untersucht.

Screen-Ovation: Eine neuartige In-vitro-Plattform für die Entwicklung antifibrotischer Arzneimittel
Als Fibrose wird eine krankhafte Vermehrung von Bindegewebe auf Kollagenbasis in Geweben und Organen bezeichnet. Die Fibrose führt zu einem fortschreitenden Verlust der Gewebefunktion und schliesslich zum Organversagen.
Ein kritischer Prozess der Gewebefibrose ist die Umwandlung von Fibroblasten in Myofibro­blasen in der Matrix. Auf zellulärer Ebene ist der Myofibroblast unabhängig von der Herkunft des Gewebes von zentraler Bedeutung für die Pathogenese der Fibrose. Wichtige Fortschritte bei dem Verständnis der Mechanismen, die der Fibrose zugrunde liegen, unterstützen die Suche nach neuen Therapeutika. Kürzlich wurden von Forschern um Carmel B Nanthakumar, Glaxo­SmithKline, zwei antifibrotische Wirkstoffe gegen die idiopathische Lungenfibrose (IPF) entdeckt. Ein Anhalten der Krankheitsprogression erscheint in den nächsten Jahren machbar.

Was sind die optimalen Werte für die Verwendung von In-vitro-Haut als Screening-Tool?
Die Haut als äussere Hülle ist in ihrer natürlichen Form wie auch als 3D Rekonstruktion ein potenzielles Zielorgan für gesundheitsschädliche Angriffe oder Expositionen. In vielen Bereichen der Grundlagen- und angewandten Forschung ist es wichtig, den gesunden und den kranken Zustand der Haut zu verstehen.
Eine grosse Herausforderung für Prof. Sue Gibbs und ihre Mitarbeiter besteht darin, optimale Biomarker-Werte zu entwickeln, die jeweils für den Durchsatz und die Größe verschiedener Hautmodelle geeignet sind. Die Zellplastizität kann mittels Histologie, Durchflusszytometrie und Zellmigration mit Fluoreszenzmarkern untersucht werden.

Zellkultur als wichtiges Instrument der Life-Science-Industrie
Prof. Michael Ragunath als Direktor des TEDD Kometenzzentrums und Chair der Veranstaltung gab einen kritischen Rückblick auf das TEDD Meeting und den Stellenwert der 3D Zellmodelle.
In den letzten Jahren hat die 3D-Zellkultur aufgrund der Vorteile, die dieses Modell gegenüber herkömmlichen Zellkulturmethoden bietet, in der pharmazeutischen Industrie an Bedeutung gewonnen. Durch die 3D-Zellkultur können Zellen in allen drei Dimensionen wachsen und mit ihrer Umgebung interagieren, wodurch die In-vivo-Bedingungen, in denen die Zellen natürlicherweise vorhanden sind, besser nachgeahmt werden.
In Zukunft wird es möglich sein, den kosten­intensiven Prozess der Arzneimittelentwicklung zu beschleunigen und die Zahl der Tierversuche im Sinne von 3R zu reduzieren. Anwendungen wie die Erforschung und Austestung neuer Medikamente, z. B. in der Krebsbehandlung, Organ-on-Chip-Modellen zur Untersuchung der menschlichen Physiologie in einem organspezifischen Kontext und der 3D-Bioprinter zur Erzeugung von Organmodellen sind für die Marktentwicklung der 3D-Zellkulturtechnik sehr vielversprechend.
Um solche komplexen Gewebesysteme erfolgreich zu entwickeln, ist die Kooperation von Partnern mit komplementären Kompetenzen (Hochschulen und Industrie, insbesondere Biotechnologie-, Pharma-, Medtech- und Kosmetik­unternehmen) erforderlich. Das TEDD-Kompetenzzentrum verfolgt daher das Ziel, Wissen und technologische Informationen zu In-vitro-Zell- und Gewebekulturen zu bündeln, indem die Vernetzung der Partnerorganisationen gefördert wird. Das Kompetenzzentrum beabsichtigt, Netzwerkprojekte anzutreiben, innovative Ideen zu fördern und seine Mitglieder beim Marktzugang unterstützen. Es zielt auch darauf ab, die Entwicklung technischer Qualitätsstandards zu fördern und sich als Anlaufstelle für die öffentliche Verwaltung zu etablieren.
Vom Jahr 2019 an wird das TEDD kein öffentliches Funding mehr erhalten und sich im Alleingang weiterentwickeln. Dazu gehört, dass ein Journal gefunden werden muss, in dem die TEDD Verantwortlichen publizieren können. Dies wird eine besondere finanzielle Herausforderung für die Organisation darstellen.