Seidenschwämme statt Tierversuche: Wie ein 3D-Zellkultursystem die Krebsdiagnostik revolutionieren könnte

Neue Arzneimittel und diagnostische Methoden sollten sicher und idealerweise schnell verfügbar sein – doch gerade die präklinische Testphase bremst aufgrund des hohen Ressourcenaufwands oft den zügigen Fortschritt. Besonders die Entwicklung radioaktiver Markersubstanzen ("Radiotracer"), die physiologische und pathologische Prozesse im Körper sichtbar machen und beispielsweise in der Krebsdiagnostik eingesetzt werden können, erfordert zeit- und kostenintensive Tests, die bisher häufig auf Tierversuchen beruhen. Diese sind jedoch nicht nur ethisch umstritten, sondern liefern oft Ergebnisse, die wenig auf den menschlichen Körper übertragbar sind. Ein Forschungsteam der Universität Wien, der FH Technikum Wien, der MedUni Wien und der DOC Medikus GmbH hat eine innovative Lösung entwickelt: ein bioanalytisches Testsystem, das menschliche Zellen auf einer Seidenmatrix nutzt, um Wirkstoffe unter realistischen Bedingungen zu testen – schneller, präziser und ohne Tierversuche.

Das bereits patentierte Verfahren kombiniert dabei chromatographische Prinzipien (Trennung von Substanzen anhand ihrer Wechselwirkungen mit einer stationären und einer mobilen Phase) mit einer dynamischen 3D-Zellkultur. Herzstück ist eine stationäre Phase aus biokompatiblen Seidenfibroin-Schwämmen, die als künstliches Gerüst menschliche Zellen in einer dreidimensionalen Struktur immobilisieren. Ein spezielles Pumpsystem versorgt dabei die Zellen kontinuierlich mit Nährstoffen und simuliert so realistische Bedingungen im menschlichen Gewebe, während die radiopharmazeutischen Wirkstoffe appliziert und in Echtzeit mit bildgebenden Verfahren (µPET/CT, Positronen-Emissions-Tomographie/Computertomographie) beobachtet werden. Dies ermöglicht eine parallele Auswertung der Radiotracer-Bindung und der zellulären biochemischen Prozesse. Erstautorin Verena Pichler vom Department für Pharmazeutische Wissenschaften der Universität Wien erklärt: “Mit unserer Methode schaffen wir nicht nur eine Alternative zu Tierversuchen, sondern können auch die Entwicklung neuer radioaktiver Markersubstanzen wesentlich effizienter gestalten. Unser Ziel ist es, Diagnostik und Therapie auf ein neues Niveau zu heben und gleichzeitig die ethischen Standards zu verbessern.”

Das neue System ermöglicht eine genaue Bewertung der Bindungseigenschaften zu testender radioaktiver Markersubstanzen, ihrer Zielgenauigkeit und möglicher Nebenwirkungen. Die Verwendung von Seidenfibroin bietet aufgrund seiner Strahlungsstabilität und seiner bewährten Anwendung in der Zellkultur erhebliche Vorteile. Durch die Einführung von Frits (siebartige Trennwände) zwischen den Schwämmen wird Zellmigration reduziert und die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse verbessert. Wichtige Faktoren wie die Verteilung der Strahlendosis und die Versorgung der Zellen mit Nährstoffen können so genau kontrolliert werden. Besonderes Augenmerk wurde auf die Automatisierung und Standardisierung der Prozesse gelegt, um die Verarbeitung der radioaktiven Substanzen sicher und effizient zu gestalten. Die neue Methode entspricht den Empfehlungen des 3R-Prinzips ("reduce, refine, replace") und der Critical Path Initiative der FDA. Sie hat das Potenzial, Tierversuche deutlich zu reduzieren, die Entwicklung von Radiopharmaka zu beschleunigen und die Strahlenbelastung für das Personal zu minimieren. So könnte diese bahnbrechende Technologie neue Standards in der präklinischen Radiopharmazie setzen – für eine nachhaltigere und effizientere Arzneimittelentwicklung.

Das Projekt Spheriograph zur Entwicklung des innovativen 3D Zellkultursystems wurde im Rahmen eines Bridge Projektes von der Österreichischen Forschungsförderungsgesellschaft (FFG) gefördert.

Originalpublikation:

Verena Pichler, Verena Schwingenschlögl-Maisetschläger, Irem Duman, Xavier Monforte, Stefanie Ponti, Lukas Zimmermann, Elma Joldic, Monika Dumanic, Chrysoula Vraka, Marcus Hacker, Christian Kraule, Andreas Herbert Teuschl-Woller.

Bioanalytical Hybrid System Merging 3D Cell Culture and Chromatographic Precision for Unprecedented Preclinical Insights in Molecular Imaging. In Journal of Nuclear Medicine.

DOI