In vitro modeller - Gen-editering og 3D modeller af sygdomme og i toksikologiske analyser

Senest opdateret d. 22/8-2016
Bioneer
Resultatkontrakt 2016-2018 under temaerne Sundhed & fødevarer
Bjørn Holst
R&D Manager, Disease Models

Bioneer ønsker i den kommende resultatkontraktperiode (2016-2018) at udbygge kompetencer inden for sygdomsspecifikke in vitro modeller. Bioneer vil bl.a. udvikle robust avanceret gen-editerings teknologi til opbygning af cellemodeller, herunder modeller baseret på patient-stamceller. Vi oplever i stigende grad et behov hos både SMVer og større medicinalvirksomheder, for bedre in vitro modeller, som vil kunne bidrage til mere effektiv lægemiddeludvikling.

1. Markeds- og samfundsbehov

Der er et stigende krav om at erstatte forsøgsdyr med laboratoriebaserede cellemodeller som afspejler de enkelte mikromiljøer, der findes i kroppen. Virksomhederne er afhængige af adgang til denne type information som led i godkendelse af lægemidler, kosmetiske produkter, ingredienser og invasivt medicinsk udstyr.

Inden for kosmetikbranchen, er der især fokus på modeller af hudvæv som substitution for etablerede dyremodeller, som siden 2013 ikke længere må anvendes i EU. Samme overvejelser, og i en stigende erkendelse af, at resultater opnået ved brug af dyreforsøg ofte ikke kan overføres til mennesker, har ligeledes skabt et stort behov blandt medicinalvirksomheder for validerede sygdomsspecifikke humane in vitro cellemodeller, herunder tredimensionelle vævsmodeller, der kan simulere dele af sygdomstilstande.

Virksomheder efterspørger adgang til patientspecifikke modeller inden for en række sygdomme, f.eks. neurodegenerative eller stofskiftesygdomme. Virksomheder har endvidere behov for modeller til toksikologiske test, det gælder både kemikalieindustrien og lægemiddeludviklingsindustrien. Endelig har virksomheder behov for bedre og mere præcise screeningsmodeller. Nye genediterings-teknikker hvormed levende cellers DNA, f.eks. mutationer, kan repareres eller reporter elementer (ofte fluorescerende) kan indsættes i umiddelbar forlængelse af et gen vil netop kunne bruges i denne udvikling. Virksomhederne kan dermed få opfyldt behov for adgang til komplekse cellemodeller hvormed de præcist kan analysere og validere mål for lægemidler.

Målgruppen består af ca. 100 virksomheder inden for farma- og biotekområdet samt flere hospitaler og forskningsinstitutioner.

2. Ny teknologisk serviceydelse, kompetence og teknologi

Bioneer har i en årrække opbygget en række serviceydelser inden for pluripotente (umodne) stamceller samt deres videre udvikling til specialiseret celletyper, som f.eks. nerveceller. I resultatkontraktperioden 2009-2012 implementerede vi således, som nogle af de første i Danmark, metoder som gør det muligt, at omdanne modne celler (f.eks. blodceller eller hudceller), isoleret fra patienter, til såkaldte pluripotente stamceller. Da pluripotente stamceller efterfølgende kan omdannes til stort set alle relevante celletyper i kroppen, giver en sådan teknologi mulighed for at opbygge sygdomsspecifikke cellemodeller. I indeværende resultatkontraktperiode (2013-2015) har vi opbygget en række kompetencer inden for udvikling af specifikke celletyper som vil kunne indgå i opbygning af komplekse modelsystemer. I den kommende periode ønsker Bioneer på denne baggrund at udbyde følgende teknologier og services:

  • Komplekse modeller til brug i in vitro levertoksikologiske analyser af lægemidler og komplekse in vitro hudmodeller til brug inden for kosmetologiske produkter.
  • Komplekse modeller inden for det neurodegenerative område, der afspejler de patologiske fænotyper i neurodegenerative sygdomme.
  • Avancerede molekylærbiologiske værktøjer til produktion af højt-specialiserede cellemodeller. Nye avancerede teknikker, som muliggør etableringen af cellelinjer med meget præcise ændringer i DNA’et.
  • Videreudvikling af en human blod-hjerne-barriere model baseret på stamceller bl.a. fra patienter med neuronale sygdomme.

3. Centrale aktiviteter

1. Komplekse 3D in vitro modeller af hud og lever.

  • Vi vil udvikle en 3-dimensional (3D) hudmodel til toksikologiske undersøgelser og til transportstudier af molekyler i et to-kammer ”Franz celle transportsystem”.
  • Vi vil udvikle 3D levercelle-modelsystemer, som simulerer levercellernes enzym niveauer, som mål for cellernes evne til at nedbryde lægemiddelkandidater.

2. Modning af komplekse neurodegenerative modeller.

  • Vi vil i denne aktivitet opbygge komplekse modelsystemer, herunder 3D strukturer, med neurale celler, for derved at udvikle fuldt funktionelle modne neurale modeller.

3. Opbygning af kompetencer inden for gen-editering af gener i humane cellemodeller.

  • Redskaber til gen-editering, der gør det muligt at lave specifikke ændringer i genomet vil blive udviklet til f.eks. reparation af egentlige gen-defekter i patientceller eller introduktion af sygdomsrelevante gendefekter i en relevant celletype. Desuden etableres specifikke såkaldte reporter-cellemodeller, hvor relevante reportergener indsættes specifikke steder i genomet.

4. Videreudvikling af human blod-hjerne-barriere model.

  • Vi har opbygget protokoller til differentiering af pluripotente stamceller til centrale celletyper i en blod-hjerne-barriere model.. Vi ønsker at fortsætte denne aktivitet således, at en valideret robust model kan færdigudvikles med udgangspunkt i den model der forventes færdig i 2015. Vi vil optimere udviklingsprotokollerne produktionsudbytterne for disse celletyper med henblik på at kunne levere til markedet. Der er fra industriens side stor interesse for en sådan model, som vi forventer vil kunne tilbyde ultimo 2016.

4. Mulige samarbejdspartnere

Bioneer har allerede en tæt relation til en række centrale samarbejdspartnere:

Professor Poul Hyttel ved Københavns Universitet og Klinisk professor Jørgen Nielsen vil være tætte samarbejdspartnere i delaktivitet 2. Lundbeck vil være tæt samarbejdspartner i delaktiviteterne 2 og 4. Lektor Mark Denham (Århus Universitet) vil blive inddraget som samarbejdspartner i delaktivitet 2. Professor Anne Marie Vingaard fra DTU vil blive inddraget som samarbejdspartner i delaktivitet 1.

Bioneer deltager i en række nationale projekter (BRAINStem og NeuroStem) med relation til delaktivitet 2 og 4. Bioneer er partner i to større EU projekter (EBiSC og STEMMAD) inden for det neurodegenerative område, samt partner i et større EU initiativ indenfor toksikologisk analyser, SafeTest.

Referencer: 

 

 

Nøgleord

22 kommentarer

Herunder er indlæg og kommentarer fra interessenter på aktiviteter og aktivitetsforslag.

Kim Thomsen (Projektchef, Amphidex A/S)
Torsdag d. 9/4-15 kl. 15:20

I Amphidex A/S arbejder vi pt. i et EU projekt med iPS celler i forhold til at optimere og standardisere dyrkning og differentiering af disse. Bedre og styrkede in vitro modeller vil være en stor hjælp for Amphidex, da det vil kunne videreudvikle vores produktkandidater inden for celledyrkning.

Bjørn Holst (R&D Manager, Disease Models, Bioneer A/S)
Tirsdag d. 28/4-15 kl. 11:22

Kære Kim Thomsen,
Tak for din positive kommentar. Vi ser klart er behov for både flere, men især også mere udviklede in vitro modeller, som i højere grad afspejler in vivo situationen. Udviklingen af sådanne modeller er afhængige af adgang til både de rigtige dyrkningsoverflader og medier.

Merete Stavnsbjerg (Stavnsbjerg Regulatory Advice)
Fredag d. 10/4-15 kl. 09:00

In vitro toksikologiske undersøgelser i den tidlige udviklingsfase af nye lægemidler hjælper virksomheder med at frasortere uegnede lægemiddelkandidater og fokusere på stoffer med de bedste egenskaber og dermed afkorte udviklingsperioden og reducere udviklingsomkostninger

Bjørn Holst (R&D Manager, Disease Models, Bioneer A/S)
Tirsdag d. 28/4-15 kl. 11:37

Kære Merete Stavnsbjerg,
Jeg er glad for din kommentar. Som du pointere, har toksikologiske undersøgelser stor betydning for udvælgelse og fokusering i den tidlige udviklingsfase af nye lægemiddelkandidater. I det foreslåede projekt vil vi netop fokusere på at udvikle in vitro screenings egnede systemer.

Moustapha Kassem (professor, Odense University Hospital)
Torsdag d. 16/4-15 kl. 12:10

Development of in vitro disease model based on iPSC is a powerful technology that this highly relevant for basic research, understanding diseases mechanisms and clinical translation. The program proposed by Bioneer is powerful, timely and will benefit the biomedical community in Denmark. I am in particular impressed by the activities regarding gene editing of human cells. This is an important aspect needed for developing concepts of the "individualized medicine" which is the future of health care system.

Bjørn Holst (R&D Manager, Disease Models, Bioneer A/S)
Fredag d. 17/4-15 kl. 13:41

Dear Moustapha Kassem,

Thank you for the positive feedback on our iPS/gene editing proposal. We completely agree that these new techniques for editing of human cells have great potential within the concepts of “individualized medicine”. Also, in addition to studding the effects of SNP’s, we see a large potential for building reporter systems, e.g. inserting fluorescent reporters inserted directly in frame at the genomic position of the gene of interest.

Best regards,

Bjørn Holst

Peter Stein Nielsen (Commercial Officer, Forskning & Innovation, Københavns Universitet)
Torsdag d. 23/4-15 kl. 14:51

Spin-Out prospects in academia often have access to front-end science and technology via collaborations if not in-house. However, rigorously tested standard protocols, regulatory compliant procedures and a steady supply of well characterized cell models are typically not at hand. This initiative to generate tailor-made specific cell types in 3D cell models suitable for API screening purposes as well as toxicology assays will be highly relevant and valuable for Spin-Out prospects as well as for founded Start-Up’s and more established companies.

Bjørn Holst (R&D Manager, Disease Models, Bioneer A/S)
Tirsdag d. 28/4-15 kl. 13:29

Dear Peter Stein Nielsen,

Thank you for your positive feedback on the suggested project on in vitro 3D cells models. We believe it is important to develop robust and regulatory compliant protocols that ensure access to 3D models, which also gives the opportunity to combine specific cell types with toxicology assays. By combining in vitro models with gene editing, we additionally hope to be able to support our customers with cell type specific reporter in vitro models, for example fluorescent reporters coupled to the gene-of-interest.

Mai-Britt Zocca (CEO, LevOss)
Tirsdag d. 28/4-15 kl. 06:16

LevOss arbejder med udvikling af 3D printede scaffolder til forskellige sygdomsområder. Det er svært og meget dyrt at teste produktet i in vivo modeller hvorfor vi søger relevante in vitro systemer der kan guide vores udvikling. Initiativet der er beskrevet dækker godt det behov som f.eks. LevOss efterspørger i forhold til relevante in vitro systemer.

Bjørn Holst (R&D Manager, Disease Models, Bioneer A/S)
Tirsdag d. 28/4-15 kl. 13:41

Kære Mai-Britt Zocca,

Tak for din positive kommentar til det foreslåede projekt omkring 3D cellemodeller. Vi ser netop det, at kunne udvikle 3D cellemodeller frem for 2D modeller, i langt højere grad vil kunne efterligne in vivo situationen. Vi håber derfor at sådanne modeller vil kunne erstatte de ellers forholdsvis dyre in vivo modeller.

Per Spindler
Onsdag d. 29/4-15 kl. 00:18

Den beskrevne modeludvikling er væsentlig både forsknings- og erhvervsmæssigt, da de udviklede kompetencer og modeller bidrager til bedre og tidligere beslutningsgrundlag for udvikling af nye biomedicinske produkter. Modellerne vil grangiveligvis ikke erstatte dyremodeller, men de vil blive tillagt det armamentarium af forskningsredskaber, der øger værdi og nytte af forskningen, bl.a. i forhold til screening (som så kan foregå uden anvendelse af dyr), i forhold til bl.a. metabolisering og farmakokinetik. Danmark har et særligt styrkeområde inden for "neuro/CNS" både erhvervsmæssigt og akademisk.

Bjørn Holst (R&D Manager, Disease Models, Bioneer A/S)
Torsdag d. 30/4-15 kl. 15:12

Kære Per Spindler,
Tak for din kommentering på vores forslag omkring in vitro modeller. Som du skriver, mener vi også der er et behov for at udvikle sådanne modeller, ikke som en erstatning for dyremodeller, som foreløbig stadig er nødvendig i den senere udviklingsfase, men som et redskab i den tidligere udvælgelse. Samtidig kan 3D modeller også anvendes i den egentlige forskningsbaserede sygdoms forståelse, et område der traditionelt har været stor fokus på her i landet.

Mattias Hansson (Project Director, Novo Nordisk A/S)
Mandag d. 4/5-15 kl. 17:52

The potential of disease modelling and drug discovery based on patient-specific hiPSC cell technology combined with genome editing is immense. These technologies are attracting more and more attention from the pharma industry and are expected to play a key role in drug discovery and toxicology. They have the potential to significantly shorten development time and reduce attrition rates. A process for robut and reliable generation of hiPSC and genome editing is needed to facilitate the development and use of these technologies

Bjørn Holst (R&D Manager, Disease Models, Bioneer A/S)
Onsdag d. 6/5-15 kl. 10:49

Dear Mattias Hansson,
Thank you for supporting our proposal. We also see the clear benefit of robust hiPSC generation and genome editing platforms to disease modeling and drug discovery. Several studies have already shown the benefits of gene editing combined with iPSC generation in relation to some monogenetic diseases, results also expected to hold true for other setups.

Tina Stummann (PhD, H. Lundbeck)
Tirsdag d. 5/5-15 kl. 10:26

H. Lundbeck sees great potential in in vitro models based on human iPSCs. Especially in the field of neuroscience as human neurons and glia cells are of limited availability for research. Standard differentiation protocols give raise to functional neurons but they tend to encompass a relatively immature neuron population. We expect that increasing the maturation stage will contribute significantly to the establishment of robust and reliable neurodegenerative disease phenotypes. In this way the neuronal maturation product will support in-house iPSC activities at Lundbeck. Also, the establishment of an advances human blood-brain barrier model has strong potential to benefit the pharma industry.

Bjørn Holst (R&D Manager, Disease Models, Bioneer A/S)
Onsdag d. 6/5-15 kl. 10:50

Dear Tina Stummann,
Thank you for your positive feedback on our proposal on 3D in vitro models. Many in vitro models unfortunately seems to lack the final differentiation to fully matured cell types. Growth in 3D seems to affect both the growth and differentiation of stem cells. Thus, the idea of the proposal is to establish differentiation protocols to e.g. neurons and glia cells in 3D culture systems, which simulate the in vivo situation and thereby increase the maturation stage of the differentiated cells. Optimization of a human blood-brain-barrier depends on interaction of different cell types to obtain matured barrier cells. This requires both the generation of these as well as setting up the interplay of the different cells.

Christian Honore (Senior Scientist, Novo Nordisk A/S)
Onsdag d. 6/5-15 kl. 15:53

Differentiation of human pluripotent stem cells (PSC) have improved rapidly over the past few years and we are now starting to see reports of more mature cell types and tissues being generated from PSC. Given their human origin, some of these cellular models are likely to be more advantageous compared to currently used animal models, where drug and toxicology responses do not always translate. Gene editing technologies have also seen dramatic improvements over the past decade and it is now possible to insert mutations, delete genes or generate reporter cell lines. Combining PSC and gene editing technologies offer unique tools that I see many applications for in the drug discovery and development pipeline.

Bjørn Holst (R&D Manager, Disease Models, Bioneer A/S)
Torsdag d. 7/5-15 kl. 15:03

Dear Christian Honore,
Thank you for supporting our proposal on gene editing. The possibility of using biopsies from individual patients to generate pluripotent stem cells from these and then differentiate them into relevant somatic cell types, gives many new possibilities in personalized disease modelling. This combined with gene editing (introduction disease specific mutations, repair of such or reporter constructs), will clearly advance the tool box available for drug development as well as for basic research.

Niclas Nilsson (Open Innovation Manager, LEO Pharma)
Fredag d. 8/5-15 kl. 09:30

This research and implementation in the industry is much needed and could provide a competitive edge and boost to biotech and Pharma in the region. Disease-relevant in vitro assays based on patient-derived stems cells is a powerful RnD tool that can be applied in several drug research stages, such as early disease mechanistic research, target validation, early and as well as late chemistry, and Development Candidate profiling (and more).

Bridging, and reducing, the gap between early in vitro research and clinical relevance is of paramount need in order to provide patients with new innovative health solutions.
Furthermore, such disease-relevant in vitro tools provide a platform most suitable for exploring collaborations and expanding technology opportunities.

Currently there is a wealth of very interesting academic research, but a focused effort to turn it into a viable drug research tool still remains. The "In vitro modeller - Gen-editering og 3D modeller af sygdomme og i toksikologiske analyser" proposed project could deliver such solutions.

Bjørn Holst (R&D Manager, Disease Models, Bioneer A/S)
Fredag d. 8/5-15 kl. 11:18

Dear Niclas Nilsson,
Thank you for your supporting comments on our proposal on in vitro 3D disease modelling. As you write, new tools are clearly needed in order to bridge the gap between early in vitro research and clinical relevant assays, leading to new health solutions. We hope that we with this proposal can help bridging this gap, first by implementing 3D setups, but also by coupling it to patient specific genetic makeups via induced pluripotent stem cells and gene editing.
This combination of different new tools will give new important possibilities both in the early basic disease mechanism understanding, the screening for new possible treatments and finally in the validation process of new drugs.

allan vaag (professor, Rigshospitalet og Københavns Universitet)
Fredag d. 8/5-15 kl. 09:33

I am sincerely pleased hereby strongly to recommend the research technology platform proposed by Bioneer to study human disease mechanisms of many diseases. I have had the great plessure of collaborating with Bioneer for many years, initially on miRNA analyses and more recently on iPSC related studies. All of our collaborations over the years have been conducted in a very positive and collaborative spirit, where there has been a mutual strong focus on delivering answers and solutions that meets the societys need for understanding, preventing and treating disease. As for our current iPSC studies, these are based on very exiting data showing immature adipose tissue and muscle stem cell functions in people with an incerased risk of type 2 diabetes tooted in foetal life and associated with either low birth weight or being an offspring of women with gestational diabetes mellitus. We have found distinct and quite widespread epigenetic DNA methylation changes in these prediabetic young people, and now we ask the question of whether the epigenetic changes may be reversible by transforming the human preadipocytes and muscle stem cells back to the earliest stem cell stages. We have recieved very positive evaluations from significant funding agencies with respect to the potential of our studies to understand the fundamental roots of T2D, and we all together look very much forward to our planned collaboration with Bioneer on these studies.

Bjørn Holst (R&D Manager, Disease Models, Bioneer A/S)
Fredag d. 8/5-15 kl. 13:46

Dear Allan Vaag,
I am very glad for your positive feedback on our proposal on in vitro disease modelling. The generation of different patient specific in vitro disease models clearly open up for many new possibilities within research both when studying the actual disease mechanism, but also later on in the finding of relevant new treatments. Disease modelling using iPSCs combined with tools like gene editing might also be beneficially in the study of epigenetic DNA methylation and of the consequences in different diseases.