Toxikologie

Nutzung zellbasierter Ansätze für tiefergehende Erkenntnisse aus der Toxizitätsbeurteilung

Was ist Toxikologie?

Toxikologie ist die Erforschung unerwünschter Wirkungen natürlicher oder von Menschen erzeugter Chemikalien auf lebende Organismen. Sie ist in unserer heutigen Welt von wachsendem Interesse, da wir immer mehr Chemikalien ausgesetzt sind, sowohl in unserer Umwelt als auch durch die von uns verwendeten Produkte.

Von vielen dieser Chemikalien ist bekannt, dass sie schädlich für die menschliche Gesundheit sind. Es gibt Hinweise darauf, dass sie mit einer Vielzahl von Störungen der neuronalen Entwicklung und neurodegenerativen Erkrankungen wie Autismus und Parkinson in Zusammenhang gebracht werden können.

Die Toxikologie ist daher eine unverzichtbare Wissenschaft, die uns hilft, uns in der immer größer werdenden Landschaft chemischer Verbindungen zurechtzufinden.

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Sicherere und schnellere Wirkstoffentwicklung – mit zellbasierten Methoden der Toxizitätsbeurteilung

Die Erforschung toxischer Substanzen und ihrer Auswirkungen auf lebende Organismen ist für die Entwicklung sicherer Medikamente und für das Verständnis gesundheitlicher Folgen einer Exposition gegenüber toxischen Chemikalien unverzichtbar. Toxikologen arbeiten an der vordersten Front der Wissenschaft und suchen nach neuen Wegen, die Risiken zu identifizieren und zu beurteilen, die mit potenziell schädlichen Substanzen verbunden sind. In vielen Fällen führt ihre Arbeit direkt zu einer Verbesserung der öffentlichen Gesundheit und Sicherheit.

Die Toxizitätsbeurteilung spielt bei der Entwicklung neuer Wirkstoffe eine entscheidende Rolle, da sich viele potenzielle Behandlungen in frühen klinischen Studien als toxisch herausstellen. Tatsächlich scheitern mehr als ein Drittel der in der Entwicklung befindlichen Wirkstoffe aufgrund von Toxizität. Daher ist eine frühzeitige Erkennung von entscheidender Bedeutung, um sichere und wirksame Behandlungen auf den Markt zu bringen.

Obwohl Toxizitätstests an Mäusen und Ratten die Standardmethode zur Beurteilung der Sicherheit eines neuen Arzneimittels sind, bringt dieser Ansatz Einschränkungen mit sich. Tierstudien gehen langsam voran, da nur wenige Verbindungen gleichzeitig getestet werden können. Darüber hinaus unterscheidet sich die Physiologie des Menschen deutlich von der der Tiere, sodass die erzielten Ergebnisse oft nicht repräsentativ sind.

Die Umstellung auf zellbasierte Tests ermöglicht eine schnelle Prüfung mehrerer Chemikalien gleichzeitig und gibt die menschliche Biologie besser wieder. 3D-Organoide sind aufgrund ihrer hohen Komplexität und ihrer größeren Ähnlichkeit mit der Struktur und Funktion menschlicher Gewebe besonders nützlich. Folglich könnte die Abkehr von Tierversuchen und die Hinwendung zu zellbasierten Methoden genauere Ergebnisse liefern, damit Zeit und Geld sparen und vor allem Leben retten.

 

Zellbasierte Toxizitäts-Assays

  • Zellgesundheits-Assays          
    Diese können im traditionellen Zellkulturformat unter Verwendung von Zelllinien oder primären Zellen oder unter Verwendung der „fortschrittlicheren“ iPSC-Stammzellen durchgeführt werden. Die Zellen werden in Multiwell-Platten chemischen Substanzen ausgesetzt, und die Zellgesundheit sowie der Zelltod können mithilfe von MTT-Assays, CellTiter-Glo-Assays, Plattenreader-Assays, Imaging-Methoden, Lebend-Tot-Assays und Apoptose-Assays untersucht werden.        
     
  • Zellviabilitäts- und Morphologie-Assays          
    Die Zellen werden mittels Imaging-Methoden untersucht, bei denen die Zellzahl, die Zellfläche oder die Zellkernform zur Beurteilung potenzieller toxischer Effekte verwendet werden können.         
     
  • Neuritenauswuchs          
    Um den Zelltod nachzuweisen sowie das neuronale Wachstum und die Sprossbildung zu messen, können High-Content-Analysen durchgeführt werden, wodurch komplexere toxische Auswirkungen auf die neuronalen Zellen untersucht und bestimmt werden können.         
     
  • Veränderungen der Zellorganellen          
    Veränderungen der Form des Zellkerns und der Mikrokerne sowie die Zerstörung von Mitochondrien können mithilfe von automatisiertem Imaging und fortschrittlichen Imaging-Werkzeugen quantifiziert werden. Dies sind anspruchsvolle Studien, die jedoch ausgezeichnete Ergebnisse liefern.         
     
  • E-Phys, Ca2+-Imaging und andere funktionelle Assays          
    Es ist wichtig, die Auswirkungen chemischer Substanzen auf die Zellfunktionalität zu bestimmen. Viele toxische Substanzen sind Ionenkanalblocker, daher können potenzielle toxische Effekte mittels Elektrophysiologie (E-Phys) und Calcium-Imaging nachgewiesen werden.

 

 

Integrative In-vitro-Beurteilung der Kardiotoxizität

Dieser Arbeitsablauf hilft bei der Veranschaulichung eines integrativen In-vitro-Assays. Bei diesem werden aus humanen iPSCs gewonnene Kardiomyozyten für das High-Throughput-Screening mehrerer verschiedener Klassen von Umweltchemikalien und Medikamenten (d. h. eine NTP-Screening-Bibliothek) verwendet. Chemische Auswirkungen auf die Kontraktilität von Kardiomyozyten werden durch Ca2+-Flux-Messungen in Kombination mit High-Content-Imaging bestimmt. Beurteilt werden dabei die konzentrationsabhängigen Wirkungen auf die Physiologie der Kardiomyozyten, auf das Membranpotenzial der Mitochondrien und auf die Zellviabilität. Für das quantitative Toxizitätsprofiling wurden phänotypische Beschreibungsmerkmale verwendet. Und zur Auswertung der Daten können die Konzentrationswerte genutzt werden, um Bioaktivitätsgruppierungen und eine Rangliste der Chemikalien zu erstellen und diese mit einer Datenauswertungssoftware visuell darzustellen.

 

Arbeitsablauf der Toxizitätsbeurteilung

 

Erfahren Sie mehr über die Studie In-vitro-Bewertung der Kardiotoxizität von Umweltchemikalien mithilfe eines organtypischen humanen, aus induzierten pluripotenten Stammzellen generierten Modells.

 

Ausgewählte Themen, um Ihre Forschung zur Toxizitätsbeurteilung voranzubringen

Wir bei Molecular Devices wissen, dass Sie die richtigen Werkzeuge zur Beurteilung der Toxizität benötigen, um mehr Erkenntnisse zu gewinnen. Deshalb bieten wir eine Reihe von Lösungen an, mit denen Daten auf vielfältige Art und Weise erfasst werden können. Unsere Imaging-Instrumente machen Aufnahmen von Zellen und ermöglichen eine detaillierte Analyse, während unsere E-Phys-Instrumente schnelle kinetische Messungen ermöglichen. Unsere Plattenreader können Messungen in Lumineszenz-, Fluoreszenz- oder anderen Messmodi durchführen, und unsere Automatisierungslösungen helfen, die Geschwindigkeit und Effizienz der Tests zu erhöhen. Unsere Analysewerkzeuge unterstützen zudem den Nachweis von Veränderungen und liefern grundlegende statistische Analysen. Mit den richtigen Werkzeugen von Molecular Devices können Sie die Erkenntnisse gewinnen, die Ihre Forschung auf die nächste Ebene heben.

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