Establishment of an in vitro model for the simulation of inflammatory bowel disease as an alternative to animal experimentation

Abstract

This thesis focuses on the development of an in vitro co-culture assay to enable the screening of novel APIs for the treatment of inflammatory bowel disease (IBD) without the need of animal experimentation. The assay simulates both, the epithelial barrier and immune response in IBD on a cellular level. In healthy conditions, the co-culture shows an intact epithelial barrier defined by a low release of the analysed pro-inflammatory cytokines, while induction of the inflammatory state leads to a loss of barrier function resulting in an increased release of the pro-inflammatory cytokines. Moreover, the predictivity of the assay was evaluated according to the OECD Guidance Document for Describing Non-Guideline In Vitro Test Methods by the application of commonly administered APIs related to the severity of IBD based on the determination of the in vitro-in vivo correlation (IVIVC). Furthermore, API combination therapy and treatment with the natural product EGCG were performed to simulate clinically relevant treatment and to address the increasing interest in complementary therapy. Both treatment strategies led to a restoring of the epithelial barrier and to a reduction of pro-inflammatory cytokine release. In conclusion, the established in vitro assay offers the potential to evaluate the cytotoxicity and efficacy of novel APIs for the treatment of IBD in vitro. In the future, optimization and validation are essential to improve the predictivity and to achieve regulatory approval.

Diese Arbeit befasst sich mit der Entwicklung eines in vitro Ko-Kultur Modells, um neue Wirkstoffe für die Behandlung von chronisch-entzündlichen Darmerkrankungen (CED) ohne die Verwendung von Tierversuchen zu identifizieren. Das Modell simuliert die epitheliale Barriere und die zelluläre Immunantwort bei CED. Im gesunden Zustand zeigt das Modell eine intakte epitheliale Barriere und eine geringe bis keine Ausschüttung von pro-entzündlichen Zytokinen, während das Auslösen einer Entzündung zu einem Verlust der Barrierefunktion und einer gesteigerten Zytokinausschüttung führt. Des Weiteren wurde die Vorhersagekraft basierend auf dem OECD Guidance Document for Describing Non-Guideline In Vitro Test Methods durch die Anwendung von etablierten Wirkstoffen bei unterschiedlichen CED Schweregraden evaluiert und eine Korrelation zur in vivo Situation berechnet. Zusätzlich wurde die Behandlung mit Wirkstoffkombinationen aus anti-inflammatorischen Wirkstoffen und Immunsuppressivum sowie dem Naturstoff EGCG durchgeführt. Beide Behandlungen führten zu einer Wiederherstellung der Barrierefunktion und zu einer Reduzierung der entzündlichen Zytokinausschüttung. Somit bietet die etablierte Ko-Kultur das Potential die Zytotoxizität und die Wirksamkeit von neuen Wirkstoffen für die Behandlung von CED zu untersuchen. Die Optimierung und Validierung des Modells sind in Zukunft essenziell, um die Vorhersagekraft weiter zu steigern und eine regulatorische Akzeptanz zu erreichen.