3D-Biologie: Der Paradigmenwechsel in der Wirkstoffforschung der nächsten Generation [Interaktive Infografik]
Ursprünglich veröffentlicht: 19. April 2023
Die Wirkstoffforschung verändert sich
19. April 2023 Die Markteinführung eines Arzneimittels war in der Vergangenheit zeitaufwendig und kostspielig, wobei viele Kandidaten in der ersten Phase klinischer Studien scheiterten. Die zunehmende Evidenz deutet darauf hin, dass das Screening von Verbindungen zu einem frühen Zeitpunkt des Prozesses mithilfe traditioneller Modelle – wie in 2D verbreitete Tiere und Zellkulturen – ein beitragender Faktor sein kann.
Forscher navigieren nun zu komplexen, für den Menschen relevanten 3D-Systemen wie Organoiden, da sie vermutlich besser darstellen, wie der Körper auf die Behandlung ansprechen könnte.
In unserer interaktiven Infografik erfahren Sie, warum die Branche diese nächste Generation der Wirkstoffforschung begrüßt und welche Innovationen die Forscher auf ihrem Weg zur 3D-Biologie unterstützen.
Was ist das Paradigma der Wirkstoffforschung?
Die 3D-Biologie ist die nächste Generation der Wirkstoffforschung – ein Übergang von 2D-Zellkulturen und Tiermodellen zu biologisch relevanteren 3D-Zellmodellen und menschlichen Systemen.
Beginnen Sie Ihre Reise von der 2D- in die 3D-Biologie in unserem neuesten Blog, in dem wir Ihnen zeigen, was es braucht, um in dieses neue Paradigma der Wirkstoffforschung einzutreten, und wie Forscher weltweit ihre Verbindungs-Screens von 2D-Zellkulturen und Tiermodellen auf komplexere, für Menschen relevante 3D-Systeme wie Organoide umstellen.
Das revolutionäre Versprechen der 3D-Biologie
Humanrelevante Modelle liefern frühzeitige Einblicke in die Arzneimittelwechselwirkungen mit humanen Zellen und weisen vorklinische Wirksamkeits- und Toxizitätsprobleme nach. Das aufkommende Gebiet der 3D-Biologie revolutioniert das Wirkstoffscreening und das Krankheitsverständnis und bietet einen einzigartigen Vorteil bei der Vorhersage des menschlichen Ansprechens auf neue Behandlungen.
Der teure und langwierige Weg der Wirkstoffentwicklung
Trotz Milliardeninvestitionen ist die Zulassung neuer Medikamente immer noch ein langwieriger und kostspieliger Prozess, hauptsächlich aufgrund hoher Fluktuationsraten. Traditionelle 2D-Zellkulturen und Tiermodelle versagen oft bei der Vorhersage, wie Wirkstoffe beim Menschen wirken, was dazu führt, dass viele potenzielle Wirkstoffe während der Entwicklung unterschritten werden.
Ein unglaublicher 75Prozentsatz der Forschungs- und Entwicklungskosten entsteht durch Misserfolge – Gelder, die für Projekte ausgegeben werden, die zunächst vielversprechend erscheinen, aber später während menschlicher Versuche als unwirksam, unsicher oder wirtschaftlich unbrauchbar befunden werden. Es ist klar, dass der Arzneimittelentwicklungsprozess eine Revolution erfordert, und Organoide könnten der Schlüssel dazu sein.
Einschränkungen konventioneller Zellmodelle
Abgesehen von ethischen Überlegungen stehen traditionelle Zellmodelle in der Wirkstoffforschung – ob 2D-Zelllinien, Kleintiermodelle oder nicht-humane Primaten – vor Übersetzbarkeitsherausforderungen, die ihren Erfolg beim Transport von Therapeutika vom Labor- zum Bett behindern.
Um dies anzugehen, nutzt das Drug Discovery Paradigm humanrelevante Modellsysteme während der Wirkstoffforschung, um die klinischen Erfolgsraten zu verbessern und die Abhängigkeit von Tiermodellen zu reduzieren. Organoide reduzieren die Übertragbarkeitslücke, indem sie die Arzneimittelergebnisse genau vorhersagen. Studien haben gezeigt, dass Medikamente, die in präklinischen Studien auf Patientenorganoiden versagen, bei tatsächlichen Patienten wahrscheinlich versagen werden, während eine hohe Erfolgsrate zu effektiven Patientenergebnissen führt.
Trotz ihres Potenzials können wachsende Organoide arbeitsintensiv und zeitaufwendig sein und die Skalierbarkeit beeinträchtigen. Automatisierte Zellkulturtechnologien und assayfertige Organoide verbessern jedoch die Skalierbarkeit, um deren Akzeptanz praktikabler zu machen.
Regulatorischer Aufschwung für Organoide
Organoid-Technologie
Diese Miniaturversionen von Organen revolutionieren die medizinische Forschung mit ihren einzigartigen Fähigkeiten. Gehirn-Organoide bieten zum Beispiel wertvolle Einblicke in die Entwicklung des menschlichen Gehirns und neurologische Erkrankungen und eignen sich daher ideal für die Untersuchung von pharmazeutischen Wirkstoffen und die Erforschung genetischer Mutationen. Darmorganoide mit ihrer genauen Replikation des Darmepithels sind entscheidend für das Verständnis der Zellbiologie, der Regeneration und der mit dem Darm verbundenen Krankheitsphänotypen. Tumoroide, die aus Patiententumoren gewonnen werden, sind bahnbrechende Veränderungen in der Krebsforschung und ermöglichen personalisierte Medizin, indem sie Forschern die Analyse von Tumor-Biomarkern und das Screening auf die wirksamsten Krebsmedikamente ermöglichen. Lungenorganoide replizieren die komplexe Struktur und Funktion der Atemwege und eignen sich somit ideal für das Wirkstoffscreening und Krankheitsmodellierung unter Atemwegserkrankungen.
Zusammen ebnen diese vielfältigen Organoidtypen den Weg für bahnbrechende Fortschritte in der medizinischen Forschung und der therapeutischen Entwicklung.
- Gehirn-Organoide
- Brustkrebs-Tumoroide
- Herzorganoide
- Organoide von kolorektalen Karzinomen (CRC)
- Darm-Organoide
- Von Patienten stammende Organoide (Tumoroide)
- Pulmonale (Lungen-)Organoide
3 Hauptanwendungsfälle für Organoide
Da Organoide ihren inneren Organen so sehr ähneln, haben sie sich als genaues 3D-Zellmodell für die Erforschung menschlicher Erkrankungen, das Screening von Wirkstoffen und die Prüfung potenzieller Therapeutika erwiesen. Sie sind zudem ein besonders nützliches Werkzeug für die Präzisionsmedizin. So können beispielsweise von Patienten abgeleitete Organoide von Personen mit spezifischen Erkrankungen erzeugt und verwendet werden, um Krankheiten besser zu verstehen, Medikamente zu entwickeln und personalisierte Therapien anzupassen.
Krankheitsmodellierung
Die Modellierung von Krankheiten ist ein Eckpfeiler der biomedizinischen Forschung und bietet Systeme, die das Verhalten von Krankheiten in kontrollierten Umgebungen nachahmen, um ihre zugrundeliegenden Mechanismen aufzudecken und potenzielle Therapien zu testen.
Während traditionelle Modelle wie 2D-Zellkulturen und Tiere Einschränkungen unterliegen, bieten Organoide eine zuverlässige Alternative, indem sie die Komplexität menschlicher Gewebe replizieren. Dies macht sie ideal für die Erforschung von Krankheiten wie Alzheimer, Herzinsuffizienz und Krebs. Organoide könnten auch eine einfacher zugängliche Lösung für die Weiterentwicklung der Erforschung seltener Krankheiten darstellen und möglicherweise Behandlungen für 7.000 seltene Krankheiten aufdecken, von denen weltweit 400 Millionen Menschen betroffen sind, von denen nur aktiv untersucht 500 werden.
Wirkstoffscreening
Das High-Throughput Drug Screening (HTS) revolutionierte die 1990er Jahre, indem es ein schnelles Testen von Bibliotheken mit mehreren Millionen Verbindungen mithilfe von Multi-Well-Platten ermöglichte. Der Ansatz zielte darauf ab, jede Verbindung in einer umfangreichen Bibliothek zu testen, um einige aktive Verbindungen zu finden, aber der Prozess war umständlich und lieferte oft keine klinisch relevanten Ergebnisse.
Heute verbessert die Umstellung von 2D-Modellen auf fortschrittliche biologische 3D-Modelle wie Organoide – kombiniert mit Automatisierung und KI-Technologie – die Präzision und Relevanz von HTS und ermöglicht es, die vielversprechendsten Wirkstoffkandidaten schneller zu lokalisieren.
PDOs
Von Patienten stammende Organoide (PDOs) oder Tumoroide revolutionieren die Wirkstoffforschung und die Krebsforschung, indem sie humane relevante Modelle anbieten, die aus den Tumoren einzelner Patienten gewonnen werden. Diese aus Tumorbiopsien oder chirurgischen Proben erzeugten 3D-Kulturen behalten die molekularen Eigenschaften der ursprünglichen Tumoren bei und weisen krebsstammzellähnliche Eigenschaften auf. Dies macht sie von unschätzbarem Wert für das Verständnis patientenspezifischer Arzneimittelantworten, die Analyse von Tumor-Biomarkern und das Screening auf die wirksamsten Krebsmedikamente. Bei herausfordernden Krebsarten wie Brust- und Kolorektalkarzinomen haben PDOs ein überlegenes Potenzial in der Präzisionsmedizin und in High-Throughput-Anwendungen zur Wirkstoffforschung gezeigt, insbesondere wenn sie durch Automatisierung, High-Content-Imaging und KI-Datenanalyse unterstützt werden.
Die Herausforderungen bei Organoiden
Die Einführung der 3D-Biologie kann erhebliche Barrieren darstellen, obwohl Organoide eine höhere Vorhersagbarkeit und biologisch relevantere Daten als 2D-Zellmodelle bieten. Das Verständnis dieser Herausforderungen ist jedoch der erste Schritt, um Lösungen zur Optimierung von Prozessen zu finden und Patienten schneller sicherere, dringend benötigte Therapien zu liefern.
Radikale Innovation erforderlich
Innovation in der Organoid-Technologie ist für die Revolutionierung der Wirkstoffforschung von grundlegender Bedeutung. Durch die Weiterentwicklung von Protokollen, die Nutzung von Automatisierung und die Integration der Leistungsfähigkeit von KI können wir die Genauigkeit verbessern, Kosten senken und die Zeitplanung für die Wirkstoffforschung beschleunigen.
Assay-fähige Organoide
Durch unseren 3D Ready™ Organoids and Organoid Expansion Service nutzen wir firmeneigene Bioreaktoren und Bioprozesstechnologie, um qualitativ hochwertige und zuverlässige PDOs im großen Maßstab zu produzieren. Dies umfasst sowohl assayfertige Organoide aus kuratierten Linien als auch die Fähigkeit, proprietäre Organoid-Linien zu erweitern, um spezifische Forschungsbedürfnisse zu erfüllen und konsistente und qualitativ hochwertige, für den Menschen relevante Modelle für eine Vielzahl von Anwendungen bereitzustellen.
High-Throughput, High-Content-Imaging
Leistungsstarke Imager spielen eine entscheidende Rolle in der wissenschaftlichen Forschung, indem sie die detaillierten, hochauflösenden Bilder liefern, die für eine genaue Datenanalyse und -erkennung erforderlich sind. Unsere wachsende Produktlinie an ImageXpress® High-Content-Imaging-Systemen bietet eine einwandfreie Bildqualität, Geschwindigkeit, Datenreichtum und analytische Genauigkeit, sodass Forscher komplexe biologische Prozesse klar visualisieren können, um bessere Einblicke zu gewinnen.
Künstliche Intelligenz
IN Carta® Image Analysis Software ist eine leistungsstarke KI/ML-Software, die die Bildanalyse und die Effizienz von Arbeitsabläufen für die wissenschaftliche Forschung revolutioniert. Es ist in unser automatisiertes Zellkultursystem integriert, vereinfacht die Entscheidungsfindung und verbessert die Experimentgenauigkeit, indem es Bilder verwendet, um letztendlich eine konsistente Workflow-Automatisierung, eine optimale Zellkultur-Feeding und rechtzeitige Passage-Ereignisse zu ermöglichen. Die Analysefunktion wandelt auch komplexe Bilder in leicht interpretierbare Ergebnisse um und lädt Forscher dazu ein, Daten zu erforschen, phänotypische Veränderungen zu identifizieren und ganz einfach neue Erkenntnisse zu gewinnen, ohne dass tiefe Kenntnisse in der Datenwissenschaft erforderlich sind.
Automatisiertes Zellkultursystem
https://share.vidyard.com/watch/xgTqMVm4uWCZ4sfkPxycyE
Arbeitsablauf Organoid-Screening
Die Implementierung eines effektiven, automatisierten End-to-End-Arbeitsablaufs für die fortschrittliche Wirkstoffforschung hängt von seiner Fähigkeit ab, den Entwicklungsprozess von Organoiden zu standardisieren und zu rationalisieren und so sowohl Durchsatz als auch Genauigkeit zu verbessern. Durch die Integration bewährter Hardware- und Softwarelösungen kann ein automatisierter Arbeitsablauf von der 2D-Vorkultur von Zellen über das konfokale High-Content-Imaging bis hin zur KI-fähigen Datenanalyse alles erleichtern.
Unsere automatisierte High-Throughput-Screening-Lösung bietet Protokolle zur Verwaltung der Zellplattierung, Kulturüberwachung, des Medienaustauschs und der Verbindungsbehandlung, die sowohl matrixbasierte als auch matrixfreie Organoidkulturen abdecken. Eine umfassende Automatisierung verbessert nicht nur die Präzision von Organoid-Assays, sondern ermöglicht auch eine komplexe, quantitative Analyse des zellulären Inhalts und phänotypischer Veränderungen, wodurch sie für das Wirkstoffscreening und die Krankheitsmodellierung von unschätzbarem Wert ist.
Organoid Innovation Center besuchen
Das Zentrum geht weit über das Imaging hinaus, um eine vollständig integrierte Lösung zu präsentieren, die die Herausforderungen angeht, die bei der Durchführung von Assays mit komplexen biologischen 3D-Modellen bei jedem einzelnen Schritt des Prozesses, von der Probenvorbereitung bis hin zur Berichterstattung, auftreten. Eine Komplettlösung standardisiert den Prozess der Organoid-Entwicklung – von der Zellkultivierung über die Behandlung und die Inkubation bis hin zum Imaging, der Analyse und der Datenauswertung, und liefert gleichbleibende, unverzerrte und biologisch relevante Ergebnisse im großen Maßstab.
Hat dies Sie dazu inspiriert, einen Übergang von der 2D- zur 3D-Biologie zu erkunden? Sie suchen nach Lösungen für Ihre Organoid-Herausforderungen? Oder die Arbeit zu skalieren, die Sie bereits leisten?
Unsere Experten helfen Ihnen gerne. Kontaktieren Sie uns noch heute, um loszulegen.