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© Dr. Friederike J. Gruhl, KIT
Hydrogel mit hoher Porendichte als mögliche Basis eines Prostata-Modells.
 
Urologie 24. Oktober 2012

Prostata aus Hydrogel

Ein biomimetisches Prostata-Modell für die Krebsforschung ist in Arbeit. Es soll in Zukunft Tierversuche ersetzen.

Um Entstehung und Verlauf des Prostatakarzinoms besser untersuchen zu können, wird derzeit am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ein dreidimensionales Modell der Prostata entwickelt. Ziel ist, damit die natürlichen Prozesse in vitro nachbilden zu können. Langfristig soll das In-vitro-Modell Tierversuche in der Prostatakrebs-Forschung ersetzen.

„Eine wesentliche Aufgabe der Grundlagenforschung ist es, den Verlauf von der Auslösung der Krankheit bis hin zur Bildung von Metastasen besser zu verstehen, um frühzeitig eingreifen zu können“, meint Dr. Friederike J. Gruhl vom Institut für Mikrostrukturtechnik (IMT). „Dazu zählt insbesondere das Verständnis der Interaktion der Krebszellen mit ihrer Umgebung.“

Biomimetisches System

Ziel des Forschungsvorhabens sind der Aufbau und vor allem die Anwendung eines biomimetischen Systems: „Biomimetisch heißt, dass wir in dem Modell der Prostata die tatsächlichen Bedingungen im Menschen so detailreich wie möglich im Reagenzglas nachbilden“, so Gruhl.

Materialgrundlage für das Modell sind Hydrogele aus künstlichen und natürlichen Molekülketten (Polymeren), zwischen denen Wasser eingeschlossen ist. Sie lassen sich zu dreidimensionalen Strukturen aufbauen, deren mechanische Eigenschaften dem von Zellgewebe sehr ähnlich sind. Das von Gruhl entwickelte Modell soll künftig als Analyseplattform für die zellbiologische Krebsforschung dienen, insbesondere zur Untersuchung der molekularen Regulationsmechanismen bei der Tumorentwicklung. Da es schwierig ist, primäre, also aus dem menschlichen Organismus entnommene, Prostatazellen dauerhaft zu kultivieren, greift die Forschung bislang auf Tiermodelle zurück. Langfristig soll das In-vitro-Modell diese Tierversuche in der Erforschung des Prostatakarzinoms ersetzen.

Matrix und Zellen

Das Prostata-Modell soll es ermöglichen, sowohl gesunde Zellen des Drüsengewebes (Epithelzellen) zu kultivieren als auch solche, die Krebs hervorrufen können. Bei der Entwicklung bezieht Gruhl auch die natürliche Zellumgebung ein: Dazu gehört unter anderem das Gewebe zwischen den Zellen (extrazelluläre Matrix), einschließlich seiner biochemischen Funktionen und Eigenschaften. „Die zentrale Herausforderung dabei ist also, die Vorteile der kontrollierbaren chemischen Eigenschaften von Hydrogelen mit den Vorteilen der natürlich gebildeten extrazellulären Matrix in einem System zu kombinieren“, erläutert Gruhl.

Bei der Herstellung des Hydrogels ist zur Versorgung der Zellen mit Nährstoffen und Sauerstoff unter anderem wichtig, dass das Material schwammartig, gleichzeitig aber homogen ist. Auch darf es keine giftigen Stoffe abgeben.

Verschiedene Gele im Test

Gruhl hat hierfür unterschiedliche Hydrogele hergestellt und auf Porengröße und -verteilung, Formbarkeit und Schwellverhalten untersucht. „Für ein biomimetisches Prostata-Modell benötigen wir eine große Bandbreite an Gelen, die sich in ihren Eigenschaften unterscheiden und damit unterschiedliche Funktionen innerhalb des Modells erfüllen können.“

Derzeit arbeitet Gruhl an der Charakterisierung der Gele. Danach folgt der Aufbau verschiedener Hydrogel-Zell-Strukuren. „Dann wird es auch darum gehen, die Auswirkungen veränderbarer Rahmenbedingungen zu ermitteln, wie zum Beispiel die Anwesenheit verschiedener Zelltypen, die Steifigkeit und Dichte der Umgebung sowie die biochemische Zusammensetzung der löslichen und in die extrazelluläre Matrix eingebauten Faktoren“, sagt Gruhl.

Einsatzbereit in drei Jahren

In drei Jahren soll das Projekt so weit sein, dass das biomimetische Modell in der Forschung eingesetzt werden kann. Als weitere Perspektive für die Zukunft sieht Gruhl die Möglichkeit, dass das Modell auch die Medikamentenentwicklung in der Pharmaindustrie unterstützt.

 

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