AG Koch

Molekulare und zelluläre Studien zum Verständnis der einzelnen Wirkungsweisen von Flammschutzmitteln und der Wirkungen von Mischungen im Zusammenhang mit ihrer Kinetik in vitro (DFG)

Die chemische Gruppe der Flammschutzmittel (FR) umfasst verschiedene Klassen von Verbindungen, die bei Möbeln und Konsumgütern wie Kunststoffen und Textilien sowie bei Elektrogeräten und Babyartikeln eingesetzt werden, um die Brandgefahr zu verringern. Die ersten verwendeten Flammschutzmittel sind aufgrund ihrer Toxizität und ihres hohen Potentials in die Umwelt zu gelangen bereits vom Markt genommen worden. Sie wurden als gefährlich für die menschliche Gesundheit eingestuft, da sie insbesondere die Entwicklung des Nervensystems beeinträchtigen. In Anbetracht dieser Tatsachen bestand ein eindeutiger Bedarf, diese Verbindungen durch sichere und weniger persistente Alternativen zu ersetzen, z. B. durch phosphororganische FRs (OPFRs). Da OPFRs nicht chemisch an Polymere gebunden sind, werden sie durch Verflüchtigung, Abrieb und Auflösung ebenfalls in die Umwelt freigesetzt, was zu einem ubiquitären Vorkommen von OPFRs in verschiedenen Umweltmatrices in Innenräumen führt, z. B. in Lebensmitteln, Trinkwasser, Raumluft und Staub. Daher ist der Mensch den OPFRs durch Verschlucken, Einatmen und dermale Aufnahme ausgesetzt. Die in der Umwelt, in Hausstaub, Möbelschaum, Säuglingsprodukten und sogar in Proben menschlicher Körperflüssigkeiten gefundenen Mengen an OPFRs nehmen zu, und daher ist es wichtig, die Wirkungsweise von OPFRs für eine auf Mechanismen basierende Risikobewertung zu verstehen.

Das übergeordnete Ziel dieses DFG-geförderten Projekts ist es, die molekularen Gefahren verschiedener FR-Klassen auf die Oligodendrogenese zu untersuchen. Diese Studien basieren auf früheren Arbeiten, die Oligodendrozyten als den empfindlichsten Zelltyp für eine Vielzahl von FR in einem sich entwickelnden multizellulären In-vitro-Modell auf der Basis menschlicher NPCs identifizierten (Klose et al. 2021).

Neue Methoden zur Untersuchung der Toxizität von Lebensmittelgiften auf die Entwicklung von Gliazellen (BRAIN HEALTH; EFSA)

Die weltweite Zunahme von neurologischen Entwicklungsstörungen in den letzten Jahrzehnten hat zu der Sorge geführt, dass gefährliche Chemikalien in der Umwelt zu den Ursachen gehören könnten. Die regulatorische Risikobewertung von entwicklungsneurotoxischen (DNT) Chemikalien stützt sich bisher ausschließlich auf Tierversuche. Das Europäische Parlament sowie internationale Regulierungsbehörden konzentrieren sich auf die Entwicklung neuer Methoden (NAMs), die den Zeit- und Kostenaufwand für die Bewertung chemischer Gefahren ohne Tierversuche verringern sollen. Internationale Bemühungen, u.a. der AG Koch, haben zur Entwicklung der DNT-In-vitro-Batterie (DNT IVB) und zu ersten Empfehlungen der OECD zur Interpretation der Daten für die Verwendung bei Regulierungsentscheidungen geführt. Die extreme Beteiligung von Gliazellen (d. h. Astrozyten, Oligodendrozyten und Mikroglia) an wichtigen Prozessen der Neuroentwicklung wie Migration, Synaptogenese, Myelinisierung und Bildung des neuronalen Netzwerks wird jedoch in der DNT IVB derzeit nicht berücksichtigt und weist auf deutliche Wissenslücken hin. Im Rahmen des BRAIN HEALTH-Projekts wollen wir die DNT IVB NAMs, die Gliazelltypen enthalten, die für die normale Entwicklung des Gehirns wichtig sind (d. h. Radialglia, Astrozyten, Oligodendrozyten und Mikroglia), weiter ausbauen, charakterisieren und entwickeln.

Zugängliche innovative Methoden für die Sicherheits- und Nachhaltigkeitsbewertung von Chemikalien und Materialien (CHIASMA; EU, Horizon Europe)

Das übergeordnete Ziel des CHIASMA-Projekts ist die Entwicklung und Validierung eines umfassenden Satzes neuer Methoden (NAMs) und deren Integration in einen benutzerfreundlichen, zuverlässigen und robusten Rahmen für die Bewertung der Sicherheit von Mensch und Umwelt in einem regulatorischen Kontext. Die entwickelten Ansätze werden an drei Testfällen getestet, PFAS, (Nano-)Pestiziden und 2D-Chemikalien/Materialien für Energieanwendungen, um die regulatorische Relevanz und bereichsübergreifende Anwendbarkeit des CHIASMA-Rahmens zu demonstrieren. Im Rahmen des Konsortiums untersucht die AG Koch, wie Umweltfaktoren in molekulare und zelluläre Prozesse eingreifen und dadurch Neurotoxizität bei Erwachsenen oder in der Entwicklung verursachen. In CHIASMA ist die AG Koch für die Entwicklung und Validierung von 3D-Neurotoxizitätsmodellen und die Bereitstellung international anerkannter DNT-Modelle für die Bewertung von Wirkstoffen verantwortlich und wird auch eine R-basierte biostatistische Pipeline für Datenanalysen beisteuern.

Labor-zu-Labor-Validierung des NPC1_RAR_GR-Assays zur Bewertung der vom Retinsäurerezeptor (RAR) und Glukokortikoidrezeptor (GR) abhängigen Störung der Proliferation neuraler Vorläuferzellen (NPC) (Pepper)

Der NPC1_RAR_GR-Assay ist eine in der AG Koch entwickelte Testmethode zur Identifizierung von Chemikalien, die die Signalübertragung des Retinsäurerezeptors (RAR) und des Glukokortikoidrezeptors (GR) in proliferierenden humanen neuralen Vorläuferzellen (hNPCs) stören. Der Zweck dieser Studie ist die Validierung dieses Assays in drei verschiedenen Labors, darunter das IUF, unter Verwendung von vier Chemikalien mit bekannten Auswirkungen auf die Assay-Endpunkte in Phase 1 und 20 Chemikalien mit unbekannten Auswirkungen auf die Assay-Endpunkte in Phase 2.

ENDpoiNTs – Entwicklung innovativer Testmethoden für endokrine Disruption-vermittelte Entwicklungsneurotoxizität

Das von der Europäischen Union geförderte Horizon 2020 ENDpoiNTs Projekt entwickelt neuartige Testmethoden zur Identifizierung endokrin-aktiver Substanzen (endocrine-disrupting chemicals, EDCs) welche die menschliche Gehirnentwicklung negativ beeinflussen. Obwohl der Zusammenhang zwischen EDC-Exposition und Störungen der Gehirnentwicklung weltweit anerkannt ist, decken die regulatorischen Richtlinien für die Testung von potenziellen EDCs keine entwicklungsneurotoxischen (developmental neurotoxic, DNT) Endpunkte ab. Ein Grund ist der Mangel an Daten über den Zusammenhang zwischen EDC Exposition und DNT. ENDpoiNTs hat es sich zur Aufgabe gemacht diese Datenlücke zu schließen und eine Testbatterie zu entwickeln, welche, basierend auf in vivo, in vitro und in silico Modellen, Chemikalien auf ihr Potenzial testet das Hormonsystem zu stören und DNT auszulösen. Diese Batterie soll final in die europäischen und internationalen regulatorischen Richtlinien integriert werden. Das Konzept von ENDpoiNTs basiert auf den folgenden zwei Modulen:

• Module 1: Entwicklung von Testmethoden. Es sollen die Zusammenhänge zwischen der Modulation hormoneller Signalwege und DNT Endpunkten herausgearbeitet werden.
• Module 2: Humane und regulatorische Relevanz der entwickelten Testmethoden. Humanrelevanz soll durch die enge Zusammenarbeit mit regulierenden Behörden und anderen Interessenvertretern sichergestellt werden.

ONTOX – ONTology-driven and artificial intelligence-based repeated dose TOXicity testing of chemicals for next generation risk assessment

Die Vision des ONTOX-Konsortiums ist es, eine funktionale und nachhaltige Lösung für die Weiterentwicklung der Risikobewertung von Chemikalien für den Menschen ohne den Einsatz von Tieren zu schaffen, die den Grundsätzen der Toxizitätstests des 21. Jahrhunderts und der Risikobewertung der nächsten Generation entspricht. ONTOX wird eine generische Strategie zur Entwicklung innovativer neuer Methoden (NAMs) entwickeln, die sich mit Schädigungen der Leber (Steatose und Cholestase), der Nieren (tubuläre Nekrose und Kristallopathie) und des sich entwickelnden Gehirns (Schließung des Neuralrohrs und Defekte der kognitiven Funktionen) befassen, die durch eine Vielzahl von Chemikalien verursacht werden. Jedes NAM wird aus einem auf modernster künstlicher Intelligenz (KI) basierenden Computersystem bestehen und in erster Linie aus verfügbaren biologischen/mechanistischen, toxikologischen/epidemiologischen, physikalisch-chemischen und kinetischen Daten gespeist werden. Die Daten werden nacheinander in physiologische Karten, quantitative Netzwerke für unerwünschte Wirkungen und Ontologie-Rahmenwerke integriert. Die von der KI ermittelten Datenlücken werden durch gezielte In-vitro- und In-silico-Tests auf dem neuesten Stand der Technik geschlossen. NAMs werden zur Vorhersage systemischer Toxizitätseffekte bei wiederholter Verabreichung verwendet, die in Verbindung mit einer maßgeschneiderten Expositionsbewertung eine Risikobewertung für den Menschen ermöglichen. Sie werden in Zusammenarbeit mit industriellen und behördlichen Interessengruppen bewertet und angewandt, um die Akzeptanz beim Endverbraucher und das Vertrauen der Behörden zu maximieren. ONTOX wird durch das EU-Förderprogramm für Forschung und Innovation Horizon 2020 gefördert.

European partnership for the assessment of risks from chemicals (PARC)

Das von der Europäischen Kommission finanzierte Horizon Europe Projekt "European partnership for the assessment of risks from chemicals (PARC)" zielt darauf ab das Methoden-Feld der Risikobewertung von Chemikalien in Europa für das nächste Jahrzehnt zu gestalten. Mit mehr als 200 Partnern aus ganz Europa und einem Budget von 400 Millionen Euro ist PARC eines der größten Projekte seiner Art weltweit. Zwischen 2022 und 2027 wird die AG Koch einen Beitrag zum Arbeitspaket 5 leisten, dessen Gesamtziel darin besteht, die Gefahrenabschätzung für die Gesundheit von Mensch und Umwelt aus drei verschiedenen Richtungen zu verbessern: Schließen von Datenlücken, die von den wichtigsten Steakholdern identifiziert wurden, Entwicklung und/oder Verbesserung von Methoden für die Gefahrenabschätzung, um Fortschritte im Bereich des „Next Generation Risk Assessments“ (NGRA) zu erzielen.

NTP Screening project

Das US-amerikanische National Institute of Environmental Health Sciences (NIEHS) Division of the National Toxicology Program (DNTP) hat die Entwicklungsneurotoxizität (DNT) und die Zunahme von neurologischen Entwicklungsstörungen als ein gesellschaftliches Gesundheitsrisiko identifiziert. Die Exposition gegenüber Chemikalien wird dabei als ein relevanter Risikofaktor angesehen, und das DNTP möchte genauer untersuchen, wie Chemikalien DNT auslösen. Dafür hat das DNTP die Testung von 115 Chemikalien in Alternativmethoden, welche auf alternativen Modellorganismen (z. B. Zebrafisch) oder zellbasierten Methoden beruhen, in Auftrag gegeben. In diesem Projekt testen wir ein Set aus 115 Chemikalien im humanen "Neurosphären Assay". Dieser Assay basiert auf menschlichen neuralen Vorläuferzellen, die in dreidimensionalen Sphäroiden wachsen, und wesentliche Schlüsselprozesse der menschlichen Gehirnentwicklung, nämlich Zellproliferation, Migration, neuronale Differenzierung und Morphologie sowie Oligodendrozytendifferenzierung abbildet. Der Assay wird in einem halb automatischen Medium-Throughput-Setup angewandt und kann das Potenzial einer Chemikalie zur Störung eines der oben genannten Prozesse ermitteln. Das Projekt wird durch das National Toxicology Program (NTP) gefördert.

Weitere Informationen: https://ntp.niehs.nih.gov/ 

CEFIC-LRI-AIMT11: Enhancing in vitro DNT testing strategy

Vor dem Hintergrund der Notwendigkeit zur Verfeinerung der bisherigen Testmethoden zur Einschätzung der Entwicklungsneurotoxizität (DNT) von Chemikalien, wurde kürzlich eine DNT-in vitro-Batterie unter Aufsicht der Europäischen Behörde für Lebensmittelsicherheit (EFSA) zusammengestellt. Trotz der weitreichenden Abdeckung elementarer Schlüsselprozesse in der Gehirnentwicklung konzentriert sich die derzeitige DNT-in vitro-Batterie vornehmlich auf Neurone und Oligodendrozyten. Die innerhalb dieses Projektes angestrebte Implementierung von Endpunkten basierend auf radialen Gliazellen, Astrozyten und Mikroglia soll die Aussagekraft der bisherigen Testbatterie weiter verbessern. Das Projekt wird in Kooperation mit der Arbeitsgruppe von Prof. Marcel Leist an der Universität Konstanz durchgeführt und durch das durch das Long-Range Research Initiative (LRI)-Programm des Verbandes der Europäischen chemischen Industrie (CEFIC) gefördert.

GRK2578 – Projekt 1c: Molekulare und zellbiologische Untersuchungen der Entwicklungsstadien-spezifischen Effekte von Mutagenen auf die Funktionen von neuralen Stamm-/Vorläuferzellen in vitro

Das Graduiertenkolleg (GRK) 2578 kombiniert Expertisen aus der Toxikologie und Stammzellforschung, um den Einfluss von Genotoxinen auf die Differenzierungseffizienz muriner und humaner Stamm- und Progenitorzellen, sowie die Funktionalität von daraus abgeleiteten differenzierten Zelltypen zu untersuchen. Im Rahmen des Teilprojektes 1c, wird der Einfluss von Genotoxinen mit unterschiedlichen Wirkmechanismen auf die humane Gehirnentwicklung untersucht. Im Fokus steht dabei die DNA Schadensantwort und Reparaturkapazität, abhängig von dem Entwicklungsstadium und den Zelltypen. Das Projekt wird durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert.

Etablierung von Assays auf der Basis humaner induzierter pluripotenter Stammzellen (hiPSC) zur Prüfung der Entwicklungsimmunotoxizität in vitro

Das Immunsystem von Säugetieren ist ein hochkomplexes, interaktives Netzwerk von Zellen, das angeborene und adaptive Immunreaktionen ermöglicht. Das Immunsystem von Neugeborenen kann viel anfälliger für chemische Störungen sein als das von Erwachsenen, weshalb die Auswirkungen von Immuntoxika während der Entwicklung in Toxizitätsstudien an erwachsenen Tieren möglicherweise nicht vollständig erfasst werden. Darüber hinaus verlangen die meisten Aufsichtsbehörden weltweit keine routinemäßigen Entwicklungsimmunotoxizitäts (DIT)-Tests für Chemikalien und Pharmazeutika. DIT-Studien sind ressourcenintensiv, da sie fast ein Jahr dauern, hohe Kosten verursachen und eine große Anzahl von Tieren benötigen. Außerdem sind die Unterschiede in der Entwicklung des Immunsystems zwischen den Spezies im Vergleich zum Menschen offensichtlich, was eine Extrapolation von Nagetieren auf den Menschen schwierig macht. Ziel dieses Projekts ist es daher, einen ersten Schritt auf dem Weg zur Entwicklung einer zellbasierten In-vitro-DIT-Batterie für den Menschen zu machen, die auf der Entwicklung verschiedener Immunzellen auf der Grundlage von hiPSC basiert und die folgenden Aspekte des sich entwickelnden Immunsystems abdeckt: (i) primitive Hämatopoese und (ii) definitive Hämatopoese in Richtung der T-Zell-Linie. Die neu etablierten Assays werden dann verwendet, um Substanzen auf ihr DIT-Potenzial hin zu testen. Das Projekt wird durch die Clariant AG, Schweiz gefördert.

Für weitere Informationen: https://www.leibniz-alternatives.de/

Speziesübergreifende Charakterisierung der molekularen und zellulären Auswirkungen von Schilddrüsenhormonen auf die Entwicklung neuraler Vorläuferzellen in vitro

Die Schilddrüsenhormone (Thyroid Hormones – TH) Thyroxin (T4) und das aktivere 3,3',5-Triiodthyronin (T3) sind für eine normale Gehirnentwicklung unerlässlich und können zahlreiche neurologische Prozesse beeinflussen. Es besteht jedoch ein hochgradiger Datenmangel bezüglich des Verständnisses von TH Transport und der spezifischen TH Wirkung innerhalb individueller Gehirnzelltypen. Innerhalb dieses Projektes untersuchen wir unter anderem mit Hilfe von Single Cell RNA Sequencing die Zelltyp-spezifische Regulation von TH-abhängigen Genen im Spezies-spezifischen Zusammenhang. Ziel ist es, ein Verständnis der molekularen und zellulären Wirkungen sowie der Verteilungskinetik von TH in menschlichen und Ratten-Neurosphären zu erlangen und letztendlich den TH-Transport und die molekularen sowie zellulären TH-Wirkungen in silico zu modulieren. Mithilfe existentieller in vivo Ratten Daten ist es möglich eine in vitro zu in vivo Extrapolation durchzuführen, was zur Bildung eines quantitativen Adverse Outcome Pathway (AOP) Netzwerkes bezüglich der Gehirnentwicklung führt. Das Projekt wird gefördert durch Syngenta United Kingdom Limited - Jealott’s Hill International Research Centre.