Werbung
Sponsored Content für Philip Morris
NZZ am Sonntag 7. März 2021
besserung gegenüber bisherigen In-vitroMethoden entspricht und somit einem massgeblichen Fortschritt im Bereich des 3V-Prinzips. Grosses Potenzial sehen die Wissenschaftler vor allem im Bereich der Toxizitätsprüfung: Indem Aerosole mit sehr unterschiedlichen physikalischen und chemischen Eigenschaften verglichen werden können – etwas, bei dem konventionelle Aerosol-Expositionssysteme an ihre Grenzen stossen. Aber auch bei der Entwicklung von inhalierbaren Medikamenten sollte INHALES in der Zukunft zur Anwendung kommen: Aerosole, massgeschneidert zur gezielten Deposition in der relevanten Region des Atmungstrakts, können entsprechend getestet und optimiert werden.
Forschung über Grenzen des Tabaksektors hinaus
Einen Meilenstein im Kampf gegen Atemwegserkrankungen setzen FOTOS: PHILIP MORRIS
Um die Auswirkungen von eingeatmeten Aerosolen auf die Lunge genauer zu untersuchen, entwickeln Wissenschaftler in der Schweiz eine mechanische Kopie des menschlichen Atemwegsystems. Im Gegensatz zu «in vivo» wird bei «in vitro» nicht am lebenden Organismus geforscht. Aber dank INHALES bald fast so real wie echt. Sie ist neben der Haut das exponierteste Organ des Menschen – unsere Lunge. Sie setzt sich der direkten Umgebung, in der wir uns befinden, unmittelbar aus. Seien es die Autoabgase als Fussgänger in der Stadt, Zigarettenrauch in aktiver oder passiver Form, der Feinstaub aus einer Kehrichtverbrennungsanlage in der Nachbarschaft oder der hohe Ozonwert an sommerlichen Hitzetagen: Die Lunge kommt über die Atmung mit allen möglichen Aerosolen in Kontakt und reagiert permanent darauf. In einer Welt, die von Urbanisierung, Industrialisierung und dem voranschreitenden Klimawandel geprägt ist, haben die Belastungen für menschliche Lungen durch Aerosole in den letzten Jahren eher zugenommen. Nicht verwunderlich, dass sich Atemwegserkrankungen in der jüngeren Vergangenheit gehäuft und zur global dritthäufigsten Todesursache entwickelt haben.
Immer besser imitieren, was im Körper geschieht Ein grosses Problem bei Atemwegserkrankungen ist, dass die zugrunde liegenden Risikofaktoren mangelhaft verstanden werden und einem steten Wandel unterworfen sind: Erst ein kleiner Teil der chemischen Verbindungen und Partikel, die wir täglich inhalieren, ist toxikologisch im Detail untersucht worden. Und jeden Tag kommen neue Substanzen dazu. Diese Lücken zu füllen und mit der Flut an zusätzlichen Risikofaktoren Schritt zu halten, stellt eine kaum lösbare Herausforderung dar. Gleichzeitig besteht der Anspruch, die Verlässlichkeit der Tests laufend zu erhöhen. Dabei wird im Bereich der In-vitro-Forschung das 3V-Prinzip (vermeiden, verringern, verfeinern) verfolgt. Deshalb wird an technologischen Entwicklungen geforscht, um besser nachahmen zu können, was im Körper geschieht – und dadurch In-vivo-Tests ersetzen zu können. Im Gegensatz zu «in vivo» wird bei «in vitro» nicht am lebenden Organismus geforscht. Diesbezüglich ein vielversprechendes Projekt treibt gegenwärtig Philip Morris International (PMI) voran, und dies an seinem weltweiten Forschungs- und Entwicklungszentrum «Cube» in Neuenburg. Unter dem Namen INHALES (Independent Holistic Air-liquid Exposure System) sind hierzulande Dutzende Wissenschaftler von PMI Science daran, eine mechanische Kopie des gesamten menschlichen Atemwegsystems herzustellen.
In-vitro-Methoden zur Untersuchung der Wirkung von inhalierbaren Substanzen auf den Atmungstrakt beruhen heute in der Regel auf der direkten AerosolExposition. In diesem Modus sind die exponierten Zellkulturen nicht mit ffllüssigem Nährmedium bedeckt, sondern kommen an der sogenannten Luft-Flüssigkeits-Grenzfl fläche in direkten Kontakt mit den zu testenden Substanzen. Dies geschieht üblicherweise in AerosolExpositionssystemen, die eine genaue Kontrolle der physikalischen Expositionsbedingungen erlauben. Inhalierte Aerosole interagieren allerdings mit dem Körper. Dadurch verändern sie sich auf dem Weg von den oberen Atemwegen zu den Lungenbläschen stark bezüglich ihrer chemischen Zusammensetzung sowie der Grössenverteilung und Konzentration der Partikel. Zusätzlich variieren die physikalischen Bedingungen wie Temperatur, relative Luftfeuchtigkeit, Geschwindigkeit oder Turbulenz des Gasfl flusses und somit die physikalischen Mechanismen, die die
Interaktion der Aerosole mit dem Atmungstrakt steuern. Als Folge «sehen» unterschiedliche Regionen des Atmungstrakts unterschiedliche Elemente eines Aerosols. Je detailgenauer dies «in vitro» nachvollzogen werden kann, desto besser können molekulare und zelluläre Reaktionen der verschiedenen Gewebetypen modelliert werden. Das heisst, eine Zellkultur, die fläche der Lunbeispielsweise die Oberfl genbläschen imitiert, sollte «in vitro» denjenigen Aerosol-Elementen ausgesetzt werden, die «in vivo» die Lungenbläschen auch tatsächlich erreichen.
INHALES ist der echten Lunge schon sehr ähnlich Im Gegensatz zu konventionellen Aerosol-Expositionssystemen, die unabhängig vom exponierten Zellkulturmodell immer das gleiche Aerosol applizieren, ahmt INHALES die Komplexität des menschlichen Atmungstrakts nach: Die feinverzweigten Atemwege werden mit fortschreitender Entwicklung in Anzahl,
Länge, Durchmesser und Oberfl flächenbeschaffenheit zunehmend anatomisch und physiologisch korrekt gestaltet. INHALES ist ausserdem in der Lage, selbstständig zu atmen und zum Beispiel Tabakprodukte oder medizinische Inhalatoren zu bedienen. Durch die strukturelle und funktionale Ähnlichkeit der mechanischen Kopie mit dem menschlichen Original werden dabei wesentliche Faktoren und vor allem die graduelle Veränderung der Aerosol-Zusammensetzung entlang der Atemwege imitiert. Die Wissenschaftler bei PMI Science erwarten deshalb, dass mit zunehmender Komplexität eine physiologisch ausdifferenziertere Aerosol-Dosierung im neuen System erreicht wird. Dies überprüfen sie laufend durch Vergleiche in Prototypen mit den verfügbaren Daten im lebenden Organismus und durch Computersimulationen. Dank der optimierten Aerosol-Dosierung sowie vollständigeren Repräsentation des Atmungstrakts erhöhen sich Zuverlässigkeit und Aussagekraft der Testreihen, was einer erheblichen Ver-
Ein reges Interesse an der Nutzung und am Potenzial von INHALES manifestiert sich derweil schon in anderen Wirtschaftszweigen. Etwa aus der Pharmaindustrie, wo man sich dank der Innovation von PMI eine Effizienzsteigerung bei der Entwicklung neuer Forschungsprogramme, Medikamente oder Impfstoffe erhofft. Auf offene Ohren stösst die mechanische Kopie des menschlichen Atemwegsystems auch in Hochschulen und Akademien weltweit, wo unzählige Forschungsprogramme zu den gesundheitlichen Auswirkungen von Aerosolen auf die Lunge und den Körper am Laufen sind. «Stark sind aus aktuellem Anlass der globalen Coronavirus-Pandemie die Interessensbekundungen von Instituten, die epidemiologische Studien zur Wirkung von Aerosolen betreiben», sagt Julia Hoeng PhD, Global Head Discovery bei PMI Science in Neuenburg. Diesbezüglich werde INHALES in Zukunft mit hoher Wahrscheinlichkeit eine hilfreiche Rolle spielen, wenn es um die Untersuchung von toxikologischen Effekten ganz unterschiedlicher Aerosole auf die Atemwege gehe, beispielsweise DieselmotorEmissionen in grossen Städten. Dass sich PMI seit Jahren ganz intensiv mit der Erforschung von biologischen Kausalitäten von Krankheiten im Lungen- und Atemwegbereich befasst, hat gemäss Prof. Manuel Peitsch selbstverständlich auch mit Eigeninteresse zu tun. Der Chief Scientific Officer von Philip Morris International erklärt: «Wir möchten klinisch belegen, dass unsere neuen schadstoffreduzierten Alternativprodukte gegenüber Zigaretten auf lange Sicht einen deutlich geringeren Negativeffekt auf die Gesundheit haben.» Dass der multinationale Tabakkonzern damit – nebst der bewussten Weiterentwicklung von In-vitro-Modellen und der erstrebenswerten Reduktion von In-vivoTests – einen wichtigen Meilenstein im Kampf gegen sämtliche Atemwegserkrankungen setzen könnte, sei dabei nicht nur ein Nebeneffekt, sondern eine ebenso wesentliche Hauptmotivation.
Philip Morris in der Schweiz Philip Morris International (PMI) führt eine disruptive Transformation im Tabaksektor an, um eine rauchfreie Zukunft zu gestalten und letztendlich Zigaretten durch verbrennungsfreie Alternativen – zum Beispiel IQOS – zu ersetzen. Mit seinem Produktportfolio ist der multinationale Tabakkonzern Marktführer in der Schweiz. Der Hauptsitz der Philip Morris SA und das globale Operations Center befinden sich in Lausanne. Neuenburg wiederum ist der Standort des «Cube», in dem über 400 Wissenschaftler, Ingenieure und Techniker aus aller Welt sich mit der Erforschung und Entwicklung sowie wissenschaftlichen Bewertung neuartiger, potenziell risikoärmerer Alternativprodukte beschäftigen. Ebenfalls am Neuenburgersee beheimatet ist die Produktionsstätte für den Schweizer Markt und den Export in mehr als 40 Länder. www.philipmorris.ch www.pmiscience.com
INHALES im Querschnitt des Menschen: Die Grafik zeigt den ersten Prototyp, der Mundatmung nachahmen kann. Ein Modul zur Nasenatmung wird derzeit entwickelt.
QUELLE: PHILIP MORRIS
Dieser Inhalt wurde von NZZ Content Creation im Auftrag von Philip Morris erstellt.