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Hochschule Esslingen - Lebensmittel als Herausforderung für zelluläre Testsysteme

Prof. Dr. Bettina Weiß leitet das Labor für Zellkulturtechnik und Bioanalytik in der Fakultät Angewandte Naturwissenschaften, Studiengang Biotechnologie der Hochschule Esslingen. Als Mitglied im Netzwerk Bioaktive Pflanzliche Lebensmittel, das vom Steinbeis Europa Zentrum koordiniert wird, ist sie in der Arbeitsgemeinschaft Bioaktivität aktiv und treibt die Forschung mit und um Amarant voran.

Prof. Weiß ist mit ihrem Labor für Zellkultur und Bioanalytik auf die Entwicklung von Testsystemen spezialisiert, unter anderem um die Wirkung von chemisch-pharmazeutischen Stoffen auf Zellen und Zellsysteme zu testen. „Wir haben auch schon mal Nanopartikel untersucht“, berichtet Prof. Weiß. Ziel war es zu prüfen, ob mit den Esslinger Testsystemen die Toxizität von Nanopartikeln nachweisbar ist und ob die Nanopartikel zum Beispiel entzündungsfördernd sind.

Der Fokus im Labor von Prof. Weiß liegt jedoch auf einem System mit differenzierten Darmepithelzellen. Dafür wird eine Zelllinie mit Caco-2-Zellen verwendet. „Die Zellen stammen  ursprünglich aus einem Karzinom“, erklärt Prof. Weiß. „Unter bestimmten Bedingungen stellen die Krebszellen jedoch ihr Wachstum ein und differenzieren sich.“ Die Forscher können daher mit diesem künstlichen Epithel den Darm nachbilden. „Es fehlt natürlich noch viel zu einem kompletten Darmmodell: Wir haben zum Beispiel kein Blutgefäßsystem und kein Immunsystem“, berichtet Prof. Weiß. Mit diesem System können die Forscher jedoch sehr gut sowohl den Transport durch die Darmepithelzellen als auch die Metabolisierung und Bioverfügbarkeit bestimmter Stoffe nachweisen. Das Testsystem ist von der U.S. Food and Drug Administration (FDA) im Pharmabereich als Ersatzsystem für Tierversuche anerkannt.

  • Aufbau des Darmepithelmodells (Copyright: Weiß) © Weiß
  • Differenzierte Caco-2 Darmepithelzellen auf einer Filtermembran © Weiß

Untersuchung der Amarantfunktion

Sarah Miller im Laborpraktikum © Weiß

In dem Esslinger Darmepithel wachsen die Zellen auf einem porösen Filter. Die zu prüfende Substanz wird auf die Zellen gegeben und im Anschluss kann getestet werden, ob die Zellen intakt bleiben. Als Funktionskontrolle wird ein Detergenz wie SDS (Natriumdodecylsulfat) verwendet. So kann simuliert werden, wie ein kranker Darm auf die Substanz reagiert. Als Zellkontrolle wird ein völlig unbehandeltes Epithel verwendet. Die Esslinger Forscher möchten ihre Systeme mit neuen Materialien prüfen und weiterentwickeln. Gelegenheit dazu bietet die Zusammenarbeit im Netzwerk Bioaktive Pflanzliche Lebensmittel. „Es ist etwas anderes wenn man Lebensmittel auf das Testsystem gibt. Das ist deutlich anspruchsvoller, weil eine starke Wirkung nicht zu erwarten ist, aber eine Wirkung trotzdem nachgewiesen werden soll. Das ist schon eine Herausforderung“, so Prof. Weiß.

Im Rahmen der Arbeit im Netzwerk Bioaktive Pflanzliche Lebensmittel wurde im Labor von Prof. Weiß eine erste Bachelorarbeit mit dem Titel „Functional Analysis of extracts of Amaranthus caudatus in several test systems” angefertigt. “Denn unsere Aufgabe im Netzwerk ist es, mit komplexen funktionellen Assays die Amarantfunktion zu untersuchen”, erklärt Bettina Weiß.

In ihrer Bachelorarbeit führte Sarah Miller zahlreiche Untersuchungen mit Amarant durch. Als Basis dafür dienten Amarantproben der Technischen Universität München, der Anoxymer, der Vivacell Biotechnology und der Seitenbacher GmbH. „Da wir in der Amarantforschung im Netzwerk noch nicht weit vorangeschritten sind und die Datenlage in der Literatur nicht sehr umfangreich ist, haben wir zu Anfang zusätzlich eine Proteinanalytik gemacht“, berichtet Prof. Weiß. Über eine Dünnschichtchromatografie wurde zudem die sogenannte Ferulasäure nachgewiesen. Der Ferulasäure, die auch in Roggen- oder Weizenvollkorn vorkommt, wird ein hohes antioxidatives Potenzial zugeschrieben.   „Im Bereich von Krebserkrankungen wird sogar eine protektive Wirkung diskutiert“, erklärt Weiß.

Zusammenarbeit mit der varionostic GmbH

Schema des Cokultur Systems mit zwei Kompartimenten (links). Im oberen Kompartiment sind konfluente CaCo-2 Zellen (rot) auf einer mikroporösen Membran dargestellt. In grün der Amarant Extrakt. Im unteren Kompartiment sind die THP-1 Zellen eingezeichnet. Rechts eine REM Aufnahme der konfluenten CaCo-2 Zellen (rot) auf der Membran mit sphäroiden Strukturen (Dome) in gelb. Maßstab:10 µm © Weiß
Mit den Extrakten, die einen hohen Proteingehalt aufwiesen, führte Frau Miller weitere zelluläre Assays unter anderem zur Untersuchung von Sauerstoffradikalen durch. Dazu verwendete sie das an der Hochschule Esslingen etablierte Darmepitheltestsystem. „Wir können damit sozusagen eine Simulation des menschlichen Darmes betreiben“, so Weiß. Zudem wurde ein Ko-Kultursystem angelegt, das zusätzlich noch Immunzellen enthielt. „Im Darm findet man häufig Immunzellen in der Nähe der Epithelzellen“, erkärt Prof. Weiß. Gesucht wurde nach einem Cytokin, das als Entzündungsmediator dient, dem Interleukin-8. Als Entzündungsmediator sorgt es dafür, das bestimmte weiße Blutkörperchen, die sogenannten neutrophilen Granulozyten, den Ort einer Entzündung erreichen und die Entzündung eindämmen. „Wir konnten das Interleukin-8 mit unserem Testsystem nachweisen, erklärt Prof. Weiß. Abschließend konnte Frau Miller ihre zellbiologischen Untersuchungen noch mit molekulargenetischen Methoden kombinieren. Dank einer Kooperation des Labors von Prof. Weiß mit dem weiteren Netzwerkmitglied varionostic GmbH aus Ulm konnten epigenetische Untersuchungen an der aus den Zellen isolierten DNA durchgeführt werden. „Uns war es wichtig, dass Frau Miller noch Untersuchungen bei varionostic macht, weil wir das dort verwendete Pyrosequenzing hier an der Hochschule nicht durchführen können“, erklärt Weiß. Die Wissenschaftler möchten untersuchen, wie sich die Methylierung im Gen von Interleukin-8, nach Zugabe von Amarant geändert hat. Die Untersuchungen dazu laufen noch.
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