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Abstract

Die Entwicklung neuer Arzneistoffe ist ein langer und kostenintensiver Prozess. Verlässliche experimentelle Modelle zur präklinischen Testung während frühen Phasen der Arzneistoffentwicklung sind essenziell, um einem späteren Misserfolg vorzubeugen. Nichtsdestotrotz spiegeln die gegenwärtig verwendeten Modelle, namentlich konventionelle 2D Zellkultur und Tiermodelle, Prozesse im menschlichen Körper teilweise falsch wider und führen mitunter zu einem späteren Abbruch der Arzneistoffentwicklung. Die Hauptgründe hierfür sind die falsche Darstellung von Pharmakokinetik und Pharmakodynamik. Für Zellkulturmodelle liegt dies an der geänderten genetischen Expression und fehlenden Stoffwechselwegen, für Tiermodelle an dem nicht humanen genetischen Hintergrund und der schnelleren Verstoffwechselung von Substanzen. Eine Klasse von in vitro Modellen, die diese Nachteile überwinden könnte sind sogenannte Organ-on-a-Chip Plattformen. Organ-on-a-Chip verbinden Mikroingenieurswissenschaft und Zellkultur, um physiologisch relevante Zellkulturmodelle zu erschaffen. Neben der Nachahmung einzelner Gewebetypen bieten Organ-on-a-Chip Modelle die vielversprechende Möglichkeit die Interaktion verschiedener Gewebearten zu imitieren. In der vorliegenden Thesis beschreibe ich die Entwicklung, Evaluierung und Etablierung von Organ-on-a-Chip Modellen zur Nachahmung physiologisch relevanter Umgebungen, Detoxifizierungsprozessen, Metabolismus und Absorption. Ich habe die physiologischeren Bedingungen, die Organ-on-a-Chip im Vergleich zu konventioneller Zellkultur schaffen, auf Protein und genetischer Ebene dargestellt. Die Funktionalität von in vitro Modellen ist ein kritischer Parameter, hierbei ist insbesondere die Aktivität von metabolisierenden Enzymen essenziellen. In einem initialen Projekt wurde die Entwicklung eines fluoreszenten CYP450 Test für Lebendzellkultur demonstriert. Der Test erlaubt die Änderungen der CYP450 Aktivität nach Behandlung mit Xenobiotika, der zellulären Differenzierung und dem Einfluss des zellulären Umfelds sowohl in Zellkultur als auch auf Einzelzellebene zu bestimmen. In einem Leber-Nieren Modell wurde unter Verwendung der Umweltgifte Aflatoxin B1 und Benzoalphapyrene gezeigt, dass Organ-on-a-Chip Modelle im Vergleich zu konventionellen 2D Zellkulturmodellen, Toxizität nachweisen können, die Bioaktivierung von Substanzen durch die Leber benötigen, um ihre toxische Wirkung zu entfalten. Durch die Ko-Behandlung mit etablierten CYP450 Induktoren und Inhibitoren, Rifampicin, 2,3,7,8 Tetrachlordibenzodioxin und Resveratrol verdeutliche ich außerdem die Möglichkeit Medikamenten-Medikamenten Interaktionen auf Organ-on-a-Chip Modellen nachzuweisen. In einem zweiten Projekt habe ich mich auf die Möglichkeit den konsekutiven Metabolismus von Leber und Niere in Organ-on-a-Chip Modellen am Beispiel von Vitamin D3 nachzuahmen, fokussiert. Mittels analytischen und zellbasierten Methoden wurden das Eluat und die entstehenden Metaboliten analysiert. Dabei werden die verstärkten Effekte der entstehenden Metaboliten auf die Differenzierung von myeloischen Leukämie Zellen gezeigt. In einem weiteren Projekt wurde die Verwendung eines membran-basierten mikrofluidischen Systems zur Resorption von Substanzen über die Darmwand und den Metabolismus dieser durch die Leber untersucht. Insgesamt erläutere ich die Vorteile von Organ-on-a-Chip Modellen gegenüber statischer Zellkultur und deren Einsatzmöglichkeiten zur Testung von Toxizität und zur Nachahmung von Metabolismus.