Nach Angaben der Weltgesundheitsorganisation sind schätzungsweise 64 % der Weltbevölkerung mit dem Herpes-Simplex-Virus (HSV) infiziert. Das Virus verursacht Herpes im Mund und im Genitalbereich. Es kann zwar asymptomatisch sein, aber auch schmerzhafte Schübe verursachen und die Infizierten anfällig für HIV machen. Vor allem für immungeschwächte Menschen kann das Virus sehr belastend sein. Natürlich gibt es antivirale Mittel zur Behandlung der Krankheit, das gängigste ist Aciclovir, aber die Behandlungen sind keine Heilung. Sobald eine Person infiziert ist, wandert das HSV in ihre Nervenzellen, wo es sich zu vermehren beginnt und sich vor antiviralen Behandlungen oder dem Immunsystem verstecken kann. Innerhalb weniger Wochen kann das Immunsystem die Primärinfektion beseitigen, aber das HSV verbleibt in den Nervenzellen, die es zuerst infiziert hat, und verbleibt lebenslang im Körper. Jetzt werden dank des 3D-Drucks neue HSV-Behandlungen entwickelt.
Die derzeitigen Medikamente sind gegen latentes HSV nicht wirksam und erfordern zudem eine konstant hohe Dosierung. Die Patienten können auch gegen diese Behandlungen resistent werden, die die Symptome oft nicht ausreichend kontrollieren. Deshalb arbeitet Dr. Jia Zhu, eine außerordentliche Professorin in der Fred Hutch Vaccine and Infectious Disease Division, die ihre Karriere der Erforschung von HSV gewidmet hat, an besseren HSV-Behandlungen. In einem Artikel für das Fred Hutch Cancer Center teilte sie mit, dass der Schlüssel zur Entwicklung besserer Behandlungen darin liegt, zu verstehen, warum wir unsere derzeitigen antiviralen Behandlungen überhaupt haben.
Hautschichten (Credit: Zhu Lab)
Der Typ des sich replizierenden HSV, gegen den Virostatika eingesetzt werden können, kommt vor allem in der Basalschicht der Epithelzellen vor, also in der innersten Schicht der Epidermis. Dies erklärt, warum die mit Herpes verbundenen Wunden und Geschwüre häufig in Barriere-Epithelgeweben wie der Mundschleimhaut und der Genitalhaut auftreten. „Dies ist zwar ein komplexer Prozess, der von vielen verschiedenen Zelltypen, die gemeinsam das Epidermisgewebe strukturieren, unterstützt wird“, so Dr. Zhu, “aber die antiviralen Mittel, die wir heute zur Behandlung von HSV einsetzen, wurden mit Hilfe von In-vitro-Kulturen von Vero-Zellen und Fibroblasten entwickelt.“
Vero-Zellen werden aus der Niere eines afrikanischen grünen Affen gewonnen und sind eine der am häufigsten verwendeten kontinuierlichen Säugetierzelllinien in der zellbiologischen Forschung, und Fibroblasten sind der am häufigsten vertretene Zelltyp im Bindegewebe. Das Problem ist, dass diese derzeitige Methode der Arzneimittelentwicklung weder die In-vivo-Relevanz noch die Gewebeumgebung erfasst. „Es ist vielleicht nicht überraschend, dass diese Virostatika bei HSV-Infektionen von Patienten nicht optimal wirken“, fügte Dr. Zhu hinzu.
Die Postdoktoranden Dr. Ian Hayman aus dem Zhu-Labor und Dr. Tori Ellison aus dem Ferrer-Labor am National Center for Advancing Translational Sciences, die Experten auf dem Gebiet der Biofabrikation mithilfe von 3D-Drucktechnologien sind, haben daher eine Studie durchgeführt, in der sie „menschliche Hautäquivalente“ im 3D-Druckverfahren hergestellt haben. Diese menschlichen Hautäquivalente bilden die menschliche Hautarchitektur in einem Format nach, das sich für antivirale Untersuchungen und präklinische Tests eignet.
Wie wurden die menschlichen Hautäquivalente hergestellt?
Nach Angaben des Fred Hutch Cancer Center druckte das Zhu-Labor die menschlichen Hautäquivalente in 3D, indem es Fibroblasten in speziell entwickelte Kulturgefäße einbrachte, Keratinozyten auf dieser Fibroblastenschicht anordnete und die Zellen in verschiedenen Medienformulierungen inkubierte. Das Ergebnis? Kleine Organoide, die der menschlichen Haut sehr ähnlich sind, mit dermalem Gewebe (das hauptsächlich aus Fibroblasten besteht) und geschichteten epidermalen Gewebeschichten (die hauptsächlich aus Keratinozyten bestehen).
Dies ist nicht das erste Mal, dass hautähnliches Material in 3D gedruckt wird. Im März 2024 druckten Forscher der Penn State das erste vollständige und lebende System, das aus mehreren Hautschichten bestand, in 3D. Zuvor hatten andere Forscher bereits erfolgreich dünne Hautschichten 3D-gedruckt. Die Haut aus dem Zhu-Labor wurde jedoch speziell für die Entwicklung einer HSV-Behandlung entwickelt.
3D-Druck-Prozess (Bild: Zhu Lab)
Konkret entwickelte das Labor zwei Arten dieses organoiden Systems: eines zur Simulation der Erstinfektion mit HSV und ein weiteres zur Simulation eines Aufflammens von HSV aus latenten Reservoiren. Die Erstinfektion wurde durch Eintauchen des Modells in Kulturmedien mit HSV simuliert. Die Simulation des Aufflackerns des latenten HSV erfolgte durch ein Luft-Flüssigkeits-Grenzflächenmodell (ALI), bei dem das HSV auf der Medienseite des Gewebes hinzugefügt wurde, um zu simulieren, dass es von der Unterseite der Epidermis kommt.
Testen von Medikamenten mit der 3D-gedruckten Haut
Anschließend untersuchte das Zhu-Labor 738 Präparate auf ihre Wirksamkeit gegen experimentelle HSV-Infektionen, was keine geringe Leistung war. Darunter waren sowohl neuartige als auch von der FDA zugelassene Medikamente. Um die Auswirkungen der Behandlungen zu visualisieren, verwendete das Team ein rekombinantes HSV, das ein grün fluoreszierendes Protein exprimierte, und Fibroblasten mit einem rot fluoreszierenden Protein. Nach der Verabreichung der Medikamente konnten sie deren Wirkung mithilfe der Fluoreszenzmikroskopie mit hohem Gehalt verfolgen. Medikamente, die das grüne HSV-Signal gut eliminierten, waren „on-target“, und Medikamente, die das rote Fibroblasten-Signal reduzierten, waren „off-target“ und beeinträchtigten das Wirtsgewebe.
Das Team war von seinen Ergebnissen überrascht. Sie entdeckten fast 20 antivirale Verbindungen, die die HSV-Infektion bei minimaler Toxizität für die Wirtszellen wirksam unterdrückten. Darüber hinaus entdeckten sie signifikante zelltypspezifische Unterschiede in der Wirksamkeit neuartiger und bestehender antiviraler HSV-Mittel, einschließlich Aciclovir. „Ursprünglich hatten wir Acyclovir als Positivkontrolle verwendet, um neue antivirale Wirkstoffkandidaten zu testen, aber wir waren schockiert, als wir feststellten, dass Acyclovir im Unterwassermodell (in dem HSV hauptsächlich Keratinozyten infiziert) mindestens eine Größenordnung weniger wirksam war als im ALI-Modell (in dem HSV hauptsächlich Fibroblasten infiziert)“, so Hayman.
Weitere Tests ergaben, dass die zur wirksamen Unterdrückung von HSV in Keratinozyten erforderlichen Acyclovir-Dosen höher waren als die maximalen Serumkonzentrationen von Acyclovir, die bei Patienten, die das Medikament einnahmen, festgestellt wurden. Dr. Zhu fügte hinzu: „Wenn man bedenkt, dass Keratinozyten der Hauptzelltyp der Haut sind, in dem sich das HSV bei Patienten repliziert, könnte die Tatsache, dass Aciclovir bei der Unterdrückung des HSV in diesem Zelltyp nicht so wirksam ist, erklären, warum es bei der Behandlung von HSV-Schüben nicht immer wirksam ist!“
Untergetauchtes Gewebe wurde mit verschiedenen MOI infiziert und dann zu bestimmten Zeiten abgebildet. Fibroblasten exprimieren tdTomato (orange), während infizierte Zellen GFP (grün) exprimieren (Bild: Zhu Lab)
Entwicklung von Medikamenten
In Zukunft wird das Zhu-Laborteam die besten antiviralen Kandidaten weiter untersuchen und die menschlichen Hautäquivalente ausdrucken, um zu sehen, wie die antivirale Wirksamkeit mit spezifischen, vom Patienten stammenden Zelltypen zusammenhängt. Hayman und Zhu schlussfolgern: „Wir sind besonders begeistert von der Aussicht, patienteneigene Zellen zu verwenden, um die nächste Generation dieser Hautorganoide in 3D zu drucken, denn dies würde es uns ermöglichen, die patientenspezifische Biologie in die Pipeline der Medikamentenentwicklung einzubeziehen und sicherzustellen, dass die Medikamente, für deren Erprobung wir Zeit und Geld aufwenden, tatsächlich in den zellulären Umgebungen wirksam sind, in denen sie letztendlich eingesetzt werden.“
Die 3D-Bioprint-Hautplattform unterstützte das Projekt, indem sie variable genetische Hintergründe frühzeitig in die Medikamententests einbezog. So wurde ein physiologisch relevanterer Ansatz zur Identifizierung potenzieller antiviraler Mittel für die Entwicklung von HSV-Medikamenten geschaffen, der vielversprechend ist und die Vorteile des 3D-Drucks unter Beweis stellt. Weitere Informationen über das Projekt finden Sie in dem Artikel des Fred Hutch Centers HIER.
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