Tissue Engineering bezeichnet die künstliche Herstellung von biologischem Gewebe und ist somit ein zentrales Element der regenerativen Medizin. Ein Teilbereich des Tissue Engineering ist die Entwicklung von In-vitro-Testsystemen die für die Erforschung grundlegender wissenschaftlicher Themen in den Bereichen Entwicklung, Infektion, Tumor und Pathobiologie sowie für Arzneimittel- und Toxizitätsstudien eingesetzt werden können. Durch die Etablierung von in vitro-Testsystemen, die die physiologische Realität möglichst genau abbilden, soll die Anzahl notwendiger Tierversuche reduziert werden. Dabei gilt: Je genauer das Testsystem physiologische Bedingungen nachbildet, desto präziser können physiologische Prozesse in vitro simuliert und vorhergesagt werden, und desto weniger Tierversuche sind zur Validierung der Ergebnisse erforderlich.

Um die physiologische Umgebung einer Zelle so genau wie möglich zu rekonstruieren, müssen zahlreiche Faktoren berücksichtigt werden. Dazu zählen unter anderem die Rolle der extrazellulären Matrix, die Interaktion verschiedener Zelltypen und mechanische Einflüsse. Moderne Labortechniken, wie die Entwicklung und der Einsatz von Bioreaktorsystemen sowie die Verwendung biologischer Trägerstrukturen, werden eingesetzt, um diesen Aspekten Rechnung zu tragen. In den letzten Jahren wurden verschiedene zelluläre in vitro Systeme entwickelt, die sowohl für die Grundlagenwissenschaft als auch für industrielle Tests verwendet werden können. Diese umfassen Testsysteme für die Blut-Hirn-Schranke, die Haut, den Dünndarm, die oberen Atemwege und die Hornhaut sowie Tumormodelle für Lungen-, Brust- und Pankreaskrebs. Die Verwendung von in-vivo-ähnlichen in-vitro-Testsystemen trägt maßgeblich zur Verminderung der erforderlichen Tierversuche bei.

© Fraunhofer ISC

Bilder eines in-vitro-Modells des Dünndarms. Die epithelialen Zellen bilden eine dichte Barriere, die es Substanzen und Mikroorganismen erschwert die Zellschicht zu überwinden. Die Einzelzellen weisen Mikrovilli zur Vergrößerung der Oberfläche auf. Das In vitro Modell enthält verschiedene Arten von Zellen des Dünndarmepithels, darunter schleimproduzierende Becherzellen, absorbierende Epithelzellen und Lysozym-positive Paneth-Zellen. (Abbildung modifiziert nach Däullary 2022, Doktorarbeit).