Manchmal sind drei Dimensionen besser als zwei – das gilt auch für die Hautforschung, bei der die Entwicklung vieler Anwendungen teilweise noch immer auf 2D-Zellkulturen basiert. Bei dieser Methode werden die Hautzellen in der Petrischale in einer einzelnen Schicht kultiviert, bevor sie mit ausgewählten, für die potenzielle Anwendung in der Hautpflege zu testenden Substanzen in Kontakt gebracht werden.
Die Natur und die menschliche Haut hingegen sind dreidimensional angelegt, weshalb die Qualität von 2D-Methoden eingeschränkt ist. Bereits in den 1950er Jahren entstanden deshalb Technologien zur dreidimensionalen Zellkultur, die heute in Laboren weltweit genutzt werden. Der multizellulare Aufbau der 3D-Modelle erleichtert die Interaktion der Zellen sowohl miteinander, als auch mit der extrazellulären Matrix. Daher stellen sie die In-vivo-Umgebung der menschlichen Haut viel genauer dar.
Mit den neuesten Technologien werden die Zellen in kugelförmigen Gefügen von Mikrogewebe angeordnet, was einen höheren Standardisierungsgrad und verbesserte Automatisierungsmöglichkeiten für industrielle Anwendungsgebiete bedeutet. Das Forschungsprojekt M2Aind (Multimodale Analytik und Intelligente Sensorik für die Gesundheitsindustrie) der Hochschule Mannheim, das von Brain unterstütz und vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert wird, soll unter anderem ein Hautmodell in 3D zum besseren Verständnis der Physiologie der Haut entwickeln. Ziel ist es, neue Einsatzmöglichkeiten in der Gesundheits- und Kosmetikbranche zu erschließen.
Biologische Prozesse besser analysieren
Derzeit besteht die größte Herausforderung für eine umfassendere industrielle Nutzung von 3D-Sphäroiden darin, dass die Methoden zur Analyse der schnell ablaufenden biologischen Prozesse in der Zelle beschränkt sind. Das Projekt M2Aind soll diese Beschränkungen mit neuen Technologien überwinden. Diese sollen helfen, die in unterschiedlichen Hautschichten der 3D-Sphäroide stattfindenden molekularen Prozesse in Echtzeit und hoher Auflösung zu visualisieren.
Als ersten Meilenstein des Projekts haben die Forschungspartner im Journal of Cellular Biotechnology den Übersichtsartikel „In Vitro Skin Three-Dimensional Models and Their Applications“ veröffentlicht. Darin beschreiben sie die Zusammensetzung und die grundlegenden Merkmale und Funktionen der menschlichen Haut. Die Hauptvorteile des neuen, im Projekt M2Aind verfolgten Ansatzes sind ein realistischeres Verständnis des physiologischen Verhaltens der Hautzellen sowie die Entdeckung Erfolg versprechender Wirkstoffe.
Richtlinie für Zellmodelle in der pharmazeutischen und kosmetischen Hautforschung
Als Ausblick auf mögliche zukünftige Entwicklungen führt der Artikel neuartige Technologien zur Verwendung und Nutzung menschlicher Stammzellen in der personalisierten Diagnostik an, zur Entwicklung von Therapien sowie für die regenerative Medizin. Der Artikel dient als Richtlinie bei der Auswahl passender Zellmodelle in der pharmazeutischen und kosmetischen Hautforschung.
Brain verfügt über Fachkenntnis bei der Entwicklung von Reporterzellen der menschlichen Haut für industrielle Anwendungen. Diese Kompetenzen kommen ebenso wie das Wissen um marktrelevante Anwendungsgebiete dem M2Aind-Projekt zugute. 3D-Sphäroidmodelle der Haut sind dazu geeignet zu verstehen, wie Hautzellen mit schädlichen Umwelteinflüssen wie mechanischer Beanspruchung, UV-Strahlung oder Krankheitserregern umgehen.
Trotzdem ist es noch immer eine Herausforderung, die molekularen Prozesse, die sich in den unterschiedlichen Keratinozytschichten abspielen, in Echtzeit und hochauflösend darzustellen. Deshalb wollen die Partner Hautreporterzellen in modernsten 3D-Modellen weiterentwickeln, um industrielle Substanztestungen für neuartige Wirkstoffe zu ermöglichen.
Der für M2Aind geplante Zeitrahmen umfasst vier Jahre mit der Option auf vier weitere Jahre bei positiver Zwischenbilanz. Derzeit sind 37 Partner aus Industrie und Forschung an dem Projekt beteiligt.
