Biologische Materialanalytik

In-vitro-Inflammationsmodelle für die Wirkstoffentwicklung

Die Arbeitsgruppe entwickelt Makrophagen-basierte standardisierte Inflammationsmodelle für die Wirkstoffentwicklung, anhand derer verschiedene inflammatorische oder immunmodulatorische Mechanismen untersucht werden können. Die Modelle werden je nach Anwendungszweck der Wirkstoffe angepasst.

In diesem Zusammenhang erfolgt die Entwicklung von In-vitro-Testszenarien für die präklinische Testung von Wirkstoffen in Form von 1) Drug Screening Assays, 2) Mode-of-Action Assays, 3) Bioassays (Potency Assays) sowie 4) Sicherheitsanalysen.

Assay-Entwicklung für medizinische Produkte für Service und Transfer

• Testentwicklung zum Nachweis der Wirksamkeit, des immunmodulatorischen Potenzials sowie von Off-Target-Effekten von Wirkstoffen oder Substanzen
• Testentwicklung zum Nachweis des immunmodulatorischen Potenzials von Materialextrakten oder im direkten Zell-Materialkontakt
• Testentwicklung im Rahmen der immuntoxikologischen Untersuchung (analog ISO 10993-10, -20 und -22), u. a. akuter Inflammations-Assay als Teil der Immuntoxizität
• Testung der Zytotoxizität bzw. Zellvitalität von aktiven Substanzen, Materialextrakten oder im direkten Zell-Materialkontakt 

Etabliertes Prüfsystem (ClicKit-Well) für die biologische Materialtestung im Direktkontakt

Konventionell werden Materialien in vitro in Zellkulturplatten untersucht, was quantitative Vergleiche zwischen Materialien (Prüfkörpern), bspw. mit unterschiedlichen Geometrien, erschwert.

Zur quantitativen Vergleichsanalyse von Oberflächen wurde das patentierte In-vitro-Testsystem ClicKit-Well entwickelt (DE 102018221415 B3). Mit seinen oberflächenstandardisierten Arealen (z. B. 96-Well-Format) auf Material-Prüfkörpern erlaubt es quantitative Vergleiche zwischen Materialien und Beschichtungen. 

Weitere Informationen inkl. eines Videos zur Funktionsweise finden Sie am Ende der Seite unter »Biomaterialtestung 2.0 – Standardisiert, ressourcensparend: ClicKit-Well«.

Projekte zum Thema:

• BMWi – WIPANO-Projekt (Wissens- und Technologietransfer durch Patente und Normen) mit dem Ziel der Entwicklung eines quantitativen Direkt-Zytotoxizitätstest (als Standardtestverfahren) für Medizinprodukte – Kooperationsprojekt mit Eurofins BioPharma Product Testing Munich GmbH und DIN (Projektakronym: ToxQuant)
• EU-HORIZON Kooperationsprojekt zum Thema »Next Generation BiOactiVe NAnocoatings« (Projektakronym: NOVA)
• VDE/VDI BMBF VIP+ Kooperationsprojekt zum Thema »Universell einsetzbares In-vitro-Testsystem zur standardisierten, ressourcensparenden Durchführung von Biointerface-Studien« (Projektakronym: UniBioface)
• Fraunhofer-Kooperation: IAP, IFAM, ICT innerhalb Simpromat (BMBF-gefördert; Förderkennzeichen: FKZ 01IO1902): Weiterentwicklung des eigens entwickelten In-vitro-Testsystem mit Fokus auf die serielle Fertigung einzelner Komponenten und die Anwendung im Bereich anti-viraler Testung
• Fraunhofer Anti-Corona-Forschungsprojekt zum Thema »Effektive und robuste Biokompatibilitätsprüfung an 3D-gedruckten Bauteilen zu Präventions- und Therapiezwecken von COVID-19« (Projektakronym: BioKomp)

Kompetenzspektrum der Arbeitsgruppe »Biologische Materialanalytik«

Biologische Beurteilung von Materialien (im Rahmen von Forschung und Entwicklung) analog DIN EN ISO 10993

• In-vitro-Zytotoxizitätstests analog zur ISO 10993 zur Beurteilung der Biokompatibilität (Extrakttests, Zytotoxtest/Adhäsionsassay im direkten Zellkontakt)

Methodenentwicklung

• Entwicklung geeigneter Methoden und Analyseverfahren zur biologischen Evaluierung von Biomaterialien/Medizinprodukten sowie Wirkstoffen/Arzneimitteln für industriell-transferierbare Screening-Assays
• Entwicklung neuer immun- und zellbiologischer Assays, u. a. für die direkte Anwendung auf Materialoberflächen
• Machbarkeitsstudien und Validierungsstudien
• Etablierung und Validierung markerfreier/ zerstörungsfreier Analysemethoden
• Entwicklung geeigneter (je nach Fragestellung angepasster) Testabläufe, inkl. Kontrollen und Erstellung entsprechender Protokolle (SOPs)  

Analytik

• Zell-Sekretom (z. B. ELISA, Luminex)
• Oberflächenmarker (z. B. Immunfluoreszenz-Mikroskopie, FACS)
• Genexpression (qPCR)
• Enzymaktivitätsbestimmung
• Biochemische Assays (z. B. Protein-, Kalziumbestimmung)
• MSC-Charakterisierung nach ISCT-Kriterien (inkl. Immunpotenzial)

Weitere Kompetenzen der Arbeitsgruppe »Biologische Materialanalytik«:

• Regulatorische Fragestellungen für Medizinprodukte (Medical device regulation, EU 745/2017)
• Aktive Mitarbeit ISO 10993 (Mitglied im DIN-Gremium NA 027-07-12 AA / Experte in ISO TC194, Ansprechpartnerin: Dr. Susanne Kurz)
• LEAN-Prinzipien/Prozessoptimierung 

Ausgewählte Projekte und aktuelle Forschungskooperationen

• Trilaterales Transferprojekt DFG-Fraunhofer zum Thema (immun)biologische Bewertung »Bioinspirierte Hybridscaffolds für das Knochen-Tissue-Engineering« (Projektakronym: SpongeBone)
• VDE/VDI BMBF VIP+ Kooperationsprojekt zum Thema »Universell einsetzbares In-vitro-Testsystem zur standardisierten, ressourcensparenden Durchführung von Biointerface-Studien« (Projektakronym: UniBioface)
• EU-HORIZON Kooperationsprojekt zum Thema »Next Generation BiOactiVe NAnocoatings« (Projektakronym: NOVA)
• Deutsch-Koreanisches MOTIE/KIAT Kooperationsprojekt zur Entwicklung eines proteinbeladenen 3D-gedruckten Medizinprodukts – Kooperationsprojekt mit L&C Bio und Yonsei University Hospital (beide Süd-Korea) und dem Fraunhofer IZI (Projektakronym: ImmuBoost)
• BMWi – WIPANO-Projekt (Wissens- und Technologietransfer durch Patente und Normen) mit dem Ziel der Entwicklung eines quantitativen Direkt-Zytotoxizitätstest (als Standardtestverfahren) für Medizinprodukte – Kooperationsprojekt mit Eurofins BioPharma Product Testing Munich GmbH und DIN (Projektakronym: ToxQuant)
• Deutsch-Koreanisches AiF/ZIM-Kooperationsprojekt zum Aufbau eines markerfreien und spezifischen Analyseverfahrens zur standardisierten Evaluierung nicht-transparenter Biomaterialien in der Makrophagenaktivierung (Zellholographie/Lasergestützte Zelldissektion) – Kooperationsprojekt mit der HICS Company (Süd-Korea) und der LLS ROWIAK LaserLabSolutions GmbH (Deutschland) (Projektakronym: ImplantHoloCut)
• Fraunhofer SME-Kooperationsprojekt (IKTS und IMWS) Prozessoptimierung zur Evaluierung desensibilisierender Zahnpflegeprodukte über die Herstellung einer artifiziellen Dentinstruktur auf Keramikbasis (Projektakronym: ArtDentin)
• Dissertationen im Rahmen des Fraunhofer Attract-Projekts (2016 – 2021) zu den Themen »Entwicklung eines kombinierten In-vitro-Testverfahrens zur Bewertung der osteo-immunologischen Eigenschaften medizinischer Produkte«, »Untersuchung des Einflusses experimenteller Bedingungen auf die Differenzierung von THP-1 Zellen zu polarisierten Makrophagen«
• Aktuell laufende Dissertation zum Thema „Entwicklung eines Makrophagen-basierten In-vitro-Assays als Vorhersagemodell einer Fremdkörperreaktion an implantierbaren Medizinprodukten“ 

Publikationen

Referenzen | Patent

• Ißleib, C.; Spohn, J.; Kurz, S. (2018). Anordnung zur Durchführung von in vitro Biokompatibilitätsprüfungen. DE102018221415, Espacenet 2020/03/13 [LINK].

Publikationen

• Ißleib C.; Kurz S.; Scholl S.; Amberg B.; Spohn J. Plasticity of proinflammatory macrophages depends on their polarization stage during human  MSC immunomodulation—an in vitro study using THP-1 and human primary macrophages. Immuno 1(4) (2021) 518-528.
  
• Blaschke, D.; Pahlow, S.; Fremberg, T.; Weber, K.; Müller, A. D.; Kurz, S.; Spohn, J.; Dhandapani, V.; Rebohle, L.; Skorupa, I.; Schmidt, H. Functionalized silicon substrates with stripe-patterned surface-near electrostatic forces for the self-organized, stable immobilization of biomolecules. Applied Surface Science 545 (2021) 148729.
• Balakin, S.; Yun, Y.-S.; Lee, J.; Kang, E.-H.; Spohn, J.; Yun, I.-S.; Opitz, J.; Cuniberti, G.; Yeo, J.-S. In vitro characterization of osteoblast cells on polyelectrolyte multilayers containing detonation nanodiamonds. Biomed. Mater. 15 (2020) 055026.
• Balakin, S.; Dennison, N. R.; Klemmed, B; Spohn, J.; Cuniberti, G; Romhildt, L.; Opitz, J. Immobilization of Detonation Nanodiamonds on Macroscopic Surfaces. Appl. Sei. 9 (2019) 1064.
• Spohn, J.; Markhoff, J.; Tillmann, J.; Krogull, M.; Pisowocki, P.; Bader, R. Direct Influence of titanium and zirconia particles on the morphology and functionality of mature human osteoclasts. J Biomed Mater Res A. 105 (2017) 36114.

Dieser Link (ResearchGate) führt Sie zu (weiteren) Publikationen zur biologischen Materialanalytik von Dr. Juliane Spohn.