Haarfollikelinfektionen sind oft schwierig zu behandeln, da sich Bakterien im Zwischenraum zwischen Haar und Haut festsetzen und dort nur schwer für Wirkstoffe herankommen.
Um dieses Szenario im Labor genauer zu untersuchen, haben Forscher der Abteilung „Wirkstofftransport über biologische Barrieren“ am Helmholtz-Institut für Pharmazeutische Forschung Saarland (HIPS) nun ein Modell mit menschlichen Haarfollikeln entwickelt, die in eine im 3D-Druckverfahren hergestellte Matrix eingebettet sind.
Mit diesem Modell können künftig neue Wirkstoffkandidaten direkt an menschlichen Follikeln auf ihre Wirksamkeit gegen entsprechende Erreger getestet werden. veröffentlichten ihre Ergebnisse im Journal ACS Biomaterials Wissenschaft und Technik.
Haarfollikel sind komplexe Strukturen, die die Haarwurzel umschließen, sie in der Haut verankern und dem Haar Halt geben. Gleichzeitig bietet der Bereich zwischen Haut und Follikel optimale Bedingungen für die ungehinderte Vermehrung von Mikroorganismen.
Dabei kommt es häufig zu einer chronischen Entzündung des Haarbalgs, die nicht nur schmerzhaft ist, sondern im Falle der Akne inversa auch Folgeerkrankungen wie Diabetes mellitus oder sogar eine akute Sepsis auslösen kann. Allein in Deutschland sind derzeit ca. 830.000 Menschen von dieser Erkrankung betroffen.
Für die erfolgreiche Entwicklung neuer Wirkstoffe gegen Haarfollikelentzündungen bedarf es Modellen, die die physiologischen Verhältnisse der Haut im Labor möglichst realitätsnah nachbilden können.
Ein Team um Prof. Claus-Michael Lehr am HIPS, einem Standort des Helmholtz-Zentrums für Infektionsforschung (HZI), hat in Zusammenarbeit mit der Universität des Saarlandes nun ein solches Modell entwickelt. Durch die Transplantation lebender menschlicher Haarfollikel in eine Kollagenmatrix innerhalb eines 3D-gedruckten Polymergerüsts gelang es den Forschern, die natürliche Umgebung von Haarfollikeln erfolgreich nachzubilden.
„Das Modell hat den Vorteil, dass wir neue Medikamentenkandidaten bereits in einem frühen Entwicklungsstadium im Mikroumfeld der Haarfollikel testen können, ohne auf Tierversuche zurückgreifen zu müssen“, sagt Samy Aliyazdi, Erstautor der Studie.
Bisher wurden neue Wirkstoffkandidaten gegen Haarfollikelinfektionen zunächst in einfacheren Modellen getestet, etwa frei schwebenden menschlichen Haarfollikeln in Flüssigkultur. Diese Modelle bilden die tatsächlichen Verhältnisse im Patienten allerdings nur unzureichend ab und sind daher für Studien zur biologischen Wirksamkeit nicht optimal.
Mithilfe des neuen 3D-Modells konnten Forscher bereits zeigen, dass Nanopartikel besser in die Haarfollikel eindringen und sich dort verteilen als in frei schwebenden Haarfollikelkulturen.
Nanopartikel können also tief in die Haarfollikel eindringen und eignen sich als Träger für Wirkstoffe. Lehrs Team konnte zudem zeigen, dass sich Haarfollikel-Infektionen mit dem Krankenhauskeim Staphylococcus aureus deutlich besser bekämpfen lassen, wenn man das Antibiotikum Rifampicin in solche Nanopartikel „verpackt“.
Das beschriebene 3D-Modell menschlicher Haarfollikel überwindet einige der Herausforderungen, die mit früheren Labormodellen verbunden waren.
„Unser Modell bildet die Mikroumgebung des menschlichen Haarfollikels realistischer nach und kann langfristig kultiviert werden. Doch damit sind wir noch nicht am Ende des Weges angelangt. Wir müssen die mechanischen Eigenschaften des Polymers noch weiter optimieren. Zudem planen wir, weitere Zelltypen wie Fibroblasten und Immunzellen einzubeziehen, um das Modell noch repräsentativer für die Situation des Patienten zu machen“, sagt Aliyazdi.
Ein komplexeres Modell dieser Art birgt großes Potenzial, wertvolle erste Erkenntnisse über die Lebensfähigkeit der Haarfollikel und das Verhalten von Krankheitserregern zu liefern und letztlich die Vorhersagbarkeit von Arzneimittelwirksamkeit und -sicherheit zu ermöglichen.
Lehr betont: „Unsere Forschung zeigt, dass die Nachahmung der natürlichen Haarfollikelumgebung für die Beurteilung der Wirksamkeit von Antibiotika von entscheidender Bedeutung ist. Dieses Modell könnte die Entwicklung neuer, gezielter Therapien deutlich beschleunigen und gleichzeitig die Zahl der erforderlichen Tierstudien reduzieren.“
Mehr Informationen:
Samy Aliyazdi et al., Ein neuartiges 3D-gedrucktes Modell infizierter menschlicher Haarfollikel zur Demonstration der gezielten Verabreichung von Nanoantibiotika, ACS Biomaterials Wissenschaft und Technik (2024). DOI: 10.1021/acsbiomaterials.4c00570