Ziel der Entwicklung

Ziel ist die Entwicklung und Kombination von tierversuchsfreien Tests zur Bewertung neuer pulmonaler Arzneimittelformulierungen. Der Fokus liegt auf der alveolaren Luft-Blut-Schranke zur Beurteilung von Sicherheit und Unbedenklichkeit. Die gesunde Lunge und die kranke Lunge (Fokus: Acute Respiratory Distress Syndrome, ARDS) werden durch in vitro Assays abgebildet.

Vorteile und Lösungen

Das Testschema zur Untersuchung der Unbedenklichkeit und Wirksamkeit setzt sich aus einzelnen Testsystemen zusammen. Die Basis des tiefen Lungengewebes bilden die epithelialen und endothelialen Zellen, die als Blut-Luft-Schranke agieren. Makrophagen und dendritische Zellen sind für die Immunreaktion des Körpers zuständig. In den oberen Atemwegen sorgt die Mukusproduktion für Schutz als zusätzliches Abwehrsystem der Lunge. Die mukoziliäre Clearance, aber auch die physikalischen Gegebenheiten der Lunge fügen einen mechanischen Einfluss auf das System. All diese komplexen, verschiedenen Aspekte der Lunge werden sinnvollerweise separat dargestellt und betrachtet und schlussendlich als Gesamteinschätzung kombiniert.
Wir konnten eine zielgerichtete in vitro Teststrategie erarbeiten, die die wesentlichen drei Fragen in der frühen Entwicklungsphase beantwortet, um die Grundlage für eine weitere Optimierung bzw. der Selektion von geeigneten Arzneimittelkandidaten zu schaffen.
– Was wird in welchem Lungenareal deponiert?
– Sind die Wirk- und Hilfsstoffe toxisch für die Zellen?
– Wirkt das Medikament?

Zur Beantwortung der ersten Frage ist die frühzeitige Selektion eines geeigneten Devices und eine frühzeitige zielgerichtet Formulierungsentwicklung notwendig. Physikalische Prüfverfahren (Next Generation Impactor) und analytische Prüfverfahren stehen im Vordergrund. Im zweiten Schritt erfolgen einfache Zellkulturtests (Modellbeispiel Calu-3) mit Fokus auf Zellviabilität, der Einfluss auf Barriereeigenschaften (TEER) und der zusätzlichen Messung des Permeationskoeffizienten als Maß für eine mögliche Bioverfügbarkeit. Die Anwendung von komplexen Kokulturmodellen erwies sich in unseren Händen als nicht ausreichend robust. Dennoch ist es unumstritten, dass es nach wie vor eine Lücke zu sogenannten air-liquid Bedingungen in der Testung von Trockenpulvern gibt. Hier konnten wir erste vielversprechende Ansätze mit einem kommerziellen Instrument erzielen (Firma aus Waldkirch). Die Vorhersage der Wirksamkeit ist an eine sehr selektive Frage gekoppelt und hängt vom Wirkmechanismus ab. In unserer Studie lag der Fokus auf Entzündungsreaktionen. Die Ausschüttung von Zytokinen von humanen Blutmakrophagen und der Einfluss des Medikaments bzw. der Hilfsstoffe auf die Makrophagen ließen einen weitreichenden Einblick in die Wirksamkeit zu. Zusammengefasst waren einfache und dafür reproduzierbare Systeme zur Bewertung neuer Arzneimittel durch Kombination einzelner Daten zuverlässiger als die Anwendung komplexerer Systeme. Die Testung von Trockenpulvern auf Zellkulturen ist nach wie vor herausfordernd. Insgesamt ließen sich durch die Kombination verschiedener Techniken kostengünstig, schnell und tierversuchsfrei die wichtigsten Eckpunkte einer frühen Entwicklung prüfen.

Zielgruppe und Zielmarkt

Die Teststrategie ist für die Arzneimittelindustrie von großer Bedeutung. Gerade die respiratorischen Erkrankungen haben seit der Corona-Pandemie noch weiter an Bedeutung gewonnen. Unberührt davon bleibt der stetige Bedarf an neuen Entwicklungen zur Behandlung von viralen Infektionen oder multi-resistenten bakteriellen Infektionen. Im Kontext teurer Tierversuche, die oft lange Genehmigungsfristen haben, ist die Nutzung alternativer in vitro Methoden und Teststrategien die bestmögliche Alternative. Das entwickelte Testverfahren hilft zeitnah einen ordentlichen Wirkstoffkandidaten in die weitere Entwicklung zu überführen. Zusätzlich werden wichtige Fragen zur Formulierung und Dosierung von Trockenpulvern zur Inhalation frühzeitig adressiert.