AG Schmidt
Publikationen
- Luconi, Michaela, Miguel A. Sogorb, Udo R. Markert, Emilio Benfenati, Tobias May, Susanne Wolbank, Alessandra Roncaglioni, Astrid Schmidt, Marco Straccia, and Sabrina Tait. 2022. Human-Based New Approach Methodologies in Developmental Toxicity Testing: A Step Ahead from the State of the Art with a Feto–Placental Organ-on-Chip Platform. International Journal of Environmental Research and Public Health 19, no. 23: 15828.
- see also Human-Relevant NAMs for Developmental Toxicity Testing in the Scholarly Community Encyclopedia, 2022
- Mai, Patrick, Jörg Hampl, Martin Baca, Dana Brauer, Sukhdeep Singh, Frank Weise, Justyna Borowiec, André Schmidt, Johanna Merle Küstner, Maren Klett, Michael Gebinoga, Insa S. Schroeder, Udo R. Markert, Felix Glahn, Berit Schumann, Diana Eckstein, and Andreas Schober. 2022. "MatriGrid® Based Biological Morphologies: Tools for 3D Cell Culturing" Bioengineering 9, no. 5: 220.
- Schmidt A, Schmidt A, Markert UR. The road (not) taken – Placental transfer and interspecies differences. Placenta 115, Nov 2021, Pages 70-77.
- Murrieta-Coxca JM, Aengenheister L, Schmidt A, Markert UR, Buerki-Thurnherr T, Morales-Prieto DM. Addressing microchimerism in pregnancy by ex vivo human placenta perfusion. Placenta. 2022 Jan;117:78-86. PMID: 34773744.
- Fuentes-Zacarías P, Murrieta-Coxca JM, Gutierrez-Samudio RN, Schmidt A, Schmidt A, Markert UR, Morales-Prieto DM: Pregnancy and pandemics: Interaction of viral surface proteins and placenta cells. BBA - Molecular Basis of Disease 2021.
- Heger J, Froehlich K, Pastuschek J, Schmidt A, Baer C, Mrowka R, Backsch C, Schleußner E, Markert UR, Schmidt A, 2018. Human serum alters cell culture behavior and improves spheroid formation in comparison to fetal bovine serum. Exp Cell Res, 365(1):57-65.
- Karolin Fröhlich, Julia I. Heger, Andre Schmidt, Astrid Schmidt, Yvonne Heimann, Amelie Lupp, Rikst Nynke Verkaik-Schakel, Gitta Turowski, Sibylle Loibl, Torsten Plosch, Udo R. Markert, 2018. Effects of breast cancer treatment on placental tissue. Poster and abstract, IFPA 2018 Tokyo conference (International Federation of Placenta Associations).
Aktuelle Teilprojekte Dr. Andre Schmidt
Platox (BMBF 2021-2024)
cand. Dr. med. dent.: Enora Flache
Masterstudentinnen: Katherine Phillips, Karthika Muthuraj
Das Projekt PlaTox (Placenta Toxikologie - humane Plazenta-Explantate für Medikamententests) ist eine Kooperation mit dem Fachgebiet Nanobiosystemtechnik der TU Ilmenau und wird im Rahmen der BMBF-Maßnahme "Validierung des technologischen und gesellschaftlichen Innovationspotenzials wissenschaftlicher Forschung - VIP+" gefördert. Das von Prof. Andreas Schober der TU Ilmenau und Prof. Udo Markert vom Placenta-Labor geleitete bilaterale Kooperationsprojekt konnte am 15.03.2021 gestartet werden und läuft über 3 Jahre. Dr. André Schmidt und Dr. Astrid Schmidt aus dem Placenta-Labor sind für die Umsetzung des Projekts in Jena verantwortlich. PlaTox soll dazu beitragen, einerseits Tierversuche in der Toxikologie zu reduzieren und andererseits die Relevanz toxikologischer Untersuchungen durch die Nutzung vitalen humanen Gewebes zu erhöhen.
In PlaTox wird ein System entwickelt werden, in dem Plazenta-Explantate routinemäßig für reproduktionstoxikologische sowie allgemeine toxikologische Studien genutzt werden sollen. Das Plazenta-Explantatmodell ist ein heterozelluläres, primäres, humanes Gewebemodell, das die in vivo Situation realistischer darstellt als Zelllinien oder auch Zelllinien-basierte 3D-Cokultivierungssysteme. Mit den Explantaten steht ein in ausreichender Menge vorhandener physiologischer, heterozellulärer Gewebeverbund primären, humanen Materials zur Verfügung, der bei Erfolg des Projekts preiswertes Massenscreening ermöglicht.
In PlaTox soll ein automatisiertes System zur Erzeugung großer Zahlen von Placenta-Explantaten entwickelt und genutzt werden, die anschließend in Mikrokultur-Flusskammer-Systemen im Mikrotiterplattenformat für mindestens zwei Wochen mit Testsubstanzen inkubiert werden sollen. Das System soll eine regelmäßige oder permanente Messung zahlreicher Parameter ermöglichen.
Toxikologische Studien an der menschlichen Plazenta sollen als entscheidender Schritt vor klinischen Studien Einsatz finden und dazu beitragen, die Übertragbarkeit präklinischer Ergebnisse auf den Menschen abzuschätzen und zu prüfen.
Durch PlaTox könnten sowohl toxikologische als auch pharmakologische Studien gemäß dem Arzneimittelgesetz oder Medizinproduktgesetz (AMG/MPG) unterstützt werden. Es ist geplant die sich in Entwicklung befindlichen Testsysteme klinischen Forschergruppen sowie auch Firmen zur Nutzung anzubieten.
Die bewilligte Fördersumme beträgt ca. 1,8 Mio €, wovon 685.446 € dem Placenta-Labor zufließen.
Mitarbeiter:innen
DFG funded,
CEPRE TP 1
Alumni
- Sarah Avemarg, Dr. med. Evaluierung der Bestimmung von Biomarkern für toxikologische Tests an der menschlichen Plazenta, 2021.
- Nora Schulz, M.Sc. Optimierung der 14-tägigen Kultivierung von humanen Plazenta‑Explantaten mit anschließendem Toxizitäts-Assay (Master thesis, 2019)
Aktuelle Teilprojekte Dr. Astrid Schmidt
Projekt Optobiopsie (BMWi 2022-2025)
Dr. rer. nat. Astrid Schmidt (2022-2025)
Dr. rer. nat. José Martin Murrieta Coxca (ab 2023)
cand. Dr. rer. nat. Johanna Liesa Gollasch (ab 2023)
Apothekerin cand. Dr. rer. nat. Rachel Zabel (2022)
Masterstudentin Aleksandra Kurova (2023)
Das Projekt OptoBiopsie wird im Programm ZIM des BMWi (Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz) von 2022-2025 gefördert. Kooperationspartner aus Industrie und Hochschulen sind die Firma SQB Ilmenau, das Fachgebiet Nanobiosystemtechnik der TU Ilmenau und das Placenta-Labor des UKJ.
Die humane Plazenta ist ein ethisch unkompliziert und weltweit permanent erhältliches Organ, das ein großes Potential für die Anwendung in toxikologischen Studien besitzt. Die Plazenta steht als komplettes Organ ex vivo in vitalem Zustand unmittelbar nach der Geburt zur Verfügung und hat gegenüber zahlreichen Tierversuchen den enormen Vorteil der Spezies-Spezifität. Die Plazenta kann genutzt werden für Fragestellungen der Toxizität von Substanzen, wie unter anderem Medikamente, Umweltschadstoffe, Kosmetik- und Lebensmittelzusätze oder auch Krankheitserreger. Die Plazenta kann als gesamtes Organ genutzt werden, aber für die meisten Fragestellungen sind kleine Gewebeproben ausreichend und ermöglichen größere Zahlen an Testungen an einer einzelnen Plazenta.
Das Ziel des Projektes ist, die Entnahme dieser Gewebeproben mittels eines intelligenten optisch kontrollierten automatisierten Biopsie-Systems zu standardisieren und zu beschleunigen, so dass in kurzer Zeit zahlreiche qualitativ ähnliche Proben aus einer Plazenta entnommen werden können, damit toxikologische Testungen an einer großen Zahl höchst gleichartiger Proben nach gleich langer Ischämiezeit (Zeit nach Verlassen des Körpers) durchgeführt werden können. Das Projekt soll mit Hilfe Künstlicher Intelligenz (KI) anhand optischer Erkennung ein automatisiertes System entwickeln, das auf der Oberfläche der Plazenta optimale Positionen für die Entnahme idealer Biopsien identifizieren kann. Das Placenta-Labor des UKJ wird zur Entwicklung dieser Leistungen durch die KI optische und biochemische Daten liefern, um das System zu trainieren.
Hierdurch soll erreicht werden, dass über die Oberflächenerkennung Biopsien gleichartiger Gewebetypen entnommen werden können. Zu den wichtigsten unterscheidbaren Geweben zählen die fetalen Arterien, fetale Venen, fetale Zottenstämme und intervillöser Raum mit darin flottierenden Terminalzotten. Somit könnte eine Auswahl automatisiert werden, aber auch um Aspekte erweitert werden, wie es per Auge alleine nicht möglich wäre. Nachfolgende toxikologische Tests würden somit auf sehr ähnlichen Gewebeproben basieren und könnten an verschiedenen Standorten vereinheitlicht werden.
Seneszenz im Endometrium (JSAM 2021-2023)
Investigation of uterine NK-cells and age in the infertile endometrium
cand. Dr. med. Anne-Christin Wrzal
supervisor Dr. rer. nat. Astrid Schmidt
gefördert im Rahmen des JSAM 2021/ 2022
associated students: cand. Dr. med. Lingyu Wei, Yaroslava Anoshko
Uterine Natural Killer (uNK) cells in the endometrium are required for successful implantation and placentation. In contrast to cytotoxic peripheral blood NK cells endometrial uNKs are immunoregulatory [1]. Nevertheless, patients with fertility problems show lower or higher uNK cell concentration compared to a mid range in fertile women [2]. The aim of this study is to determine, whether indications of senescence can be found in the endometrium of patients with Recurrent Implantation Failure (RIF) and if so whether the expression of this senescence markers is associated with the age of the patient and/or the uNK cell concentration. The number of CD56+ uNK cells, CD138+ plasma cells and CD16+ cells as well as the expression of the senescence markers p16 and DIO2 were assessed by immunohistochemistry in endometrial biopsies from 63 RIF patients and 10 healthy controls (day 19-22). Pathologic and CD138 positive patients were excluded. An exemplary proteome analysis was performed using mass spectroscopy by using the eFASP method. Multiplex staining was performed to visualise the spacial relationships between the markers p16, DIO2, CD56, CK AE1/AE3 and CD31. Initial analyses show increased expression of senescence markers in RIF patients compared to healthy controls. In the groups with high uNK cell counts (>300 cells/mm2 ), a higher senescence marker expression was found than in the group with low concentrations (<100 cells/mm2). This findings will be validated by further data analysis of this study.
[1] S. Farag, M.A. Caligiuri, Human natural killer cell development and biology, Blood Rev 20(3) (2006) 123-37.
[2] Chiokadze, C. Bär, J. Pastuschek, B.V. Dons'koi, K.G. Khazhylenko, E. Schleussner, U.R. Markert, R.R. Favaro, Beyond Uterine Natural Killer Cell Numbers in Unexplained Recurrent Pregnancy Loss: Combined Analysis of CD45, CD56, CD16, CD57, and CD138, Diagnostics (Basel) 10(9) (2020).
Seneszenz im Modell humane Plazenta-Explantate (IZKF 2023)
„Untersuchungen zu Induktion und Verzögerung von Seneszenz im Modell humane Plazenta-Explantate (Stichwort: Therapy-induced senescence, TIS)“
cand. Dr. med. Emily Könnecke
supervisor Dr. rer. nat. Astrid Schmidt
gefördert im Rahmen des IZKF 2023
Im Placenta-Labor bietet sich die besondere Möglichkeit, Plazenten direkt nach der Geburt in vitro zu kultivieren und somit ein humanes Modellsystem zu untersuchen. Hierfür werden Explantate über einen Zeitraum von bis zu zwei Wochen unter verschiedenen Bedingungen
kultiviert. Es ist bekannt, dass der Syncytiotrophoblast (STB) in den ersten Tagen zunächst degeneriert und danach vom Cytotrophoblasten (CTB) wieder funktionell aufgebaut werden kann (1,2). Chuprin, 2013, zeigten, dass der STB im Gegensatz zum CTB sowohl Phänotyp
als auch Marker für Seneszenz zeigt. Die Degeneration und Regeneration des STB aus dem CTB in Kultur unterliegt somit Seneszenz-Prozessen, die mit dem Fokus untersucht werden sollen, in welchem Umfang die Seneszenz der Plazentazotten gehemmt bzw. induziert werden
kann. Dafür sollen Explantate unter verschiedenen Bedingungen mit Hinblick auf Induktion und Hemmung kultiviert werden und das Gewebe auf Seneszenzmarker untersucht werden. Geplant sind immunhistochemische Färbungen, Vitalitäts- und Hormonanalysen sowie
elektronenmikroskopische Untersuchungen der Transformation der Mitochondrien als Marker für Seneszenz. Des Weiteren sind PCR-Analysen auf Seneszenzmarker im Gewebe sowie in extrazellulären Vesikeln aus Kulturüberständen angedacht.
- Simán CM, Sibley CP, Jones CJP, Turner MA, Greenwood SL. 2001. The functional regeneration of syncytiotrophoblast in cultured explants of term placenta. American Journal of Physiology Regulatory, Integrative and Comparative Physiology, 280(4):R1116-R1122.
- Schulz (2019) Optimierung der 14-tägigen Kultivierung von humanen Plazenta Explantaten mit anschließendem Toxizitäts-Assay (Masterarbeit, Placenta-Labor)
- Chuprin A, Gal H, Biron-Shental T, Biran A, Amiel A, Rozenblatt S, Krizhanovsky V. 2013. Cell fusion induced by ERVWE1 or measles virus causes cellular senescence. Genes & Development, 27(21):2356-2366.
Multiplex analysis of human placenta explants in heavy metals
Master student: Karthika Muthuraj
Multiplex analysis of human placenta explants after long-term culture in different heavy metals.
Mitarbeiter:innen
AG Schmidt, Astrid
AG Schmidt, Astrid
AG Schmidt, Astrid
AG Schmidt, Astrid
AG Schmidt, Astrid
Plazenta-Toxikologie
Toxikologische Tests werden durchgeführt, um Chemikalien und Pharmazeutika auf ihre Unbedenklichkeit für den menschlichen Organismus zu überprüfen. In der Regel werden derartige Untersuchungen an Ratten und Mäusen durchgeführt, teilweise aber auch bei anderen Tiergruppen wie z. B. Hunden oder Primaten. Neben der ethischen Problematik bringen Tierversuche das Problem der begrenzten Übertragbarkeit auf den Menschen mit sich. Prominente Beispiele sind Thalidomid und der monoklonale Antikörper TGN1412, welche im Tierversuch als unbedenklich eingestuft wurden, beim Menschen jedoch zu gravierenden Nebenwirkungen führten. Daher besteht ein Bedarf nach neuartigen toxikologischen Testsystemen, die die humane Biologie besser repräsentieren.
Die Plazenta als Modell in der Toxikologie
Die Plazenta ist ein komplexes Organ, welches verantwortlich ist für den feto-maternalen Stoffaustausch, gleichzeitig aber auch eine bedeutende Rolle spielt bei der Aufrechterhaltung der Schwangerschaft und dem Schutz des Embryos vor dem mütterlichen Immunystem. Neben den sogenannten Trophoblasten, welche eine zentrale Rolle beim Substanztransfer über die Plazentaschranke spielen, verfügt die Plazenta über eine Vielzahl weiterer Zelltypen, darunter Immunzellen, Endothelzellen, Fibroblasten und Stammzellen.
Gleichzeitig ist die Plazenta das einzige Organ des Menschen, welches der Wissenschaft in gesundem Zustand in nahezu unbegrenzter Anzahl zur Verfügung steht. Die Komplexität gepaart mit der Tatsache, dass die Plazenta oder aus ihr entnommene Gewebeexplantate auch nach der Geburt noch über einen längeren Zeitraum vital bleiben, prädestiniert sie für toxikologische Untersuchungen. Neben Fragen zur allgemeinen Toxikologie ist die Plazenta besonders geeignet für Untersuchungen zur Immuntoxizität, zur Reproduktionstoxizität, zu Störungen des Hormonsystems und zu Wirkung und Transport von Nanopartikeln.
Im Unterschied zu anderen in vitro-Systemen vereinigt die Plazenta folgende Vorteile:
- sämtliche Zellen sind Primärzellen humanen Ursprungs
- die Zellen befinden sich in ihrem natürlichen Gewebeverband, was bedeutsam ist für die Analyse von Zell-Zell-Interaktionen (z. B. Immunzellen und Endothelzellen)
- das Plazentagewebe verursacht keine Kosten und ist permanent verfügbar
- bei der Plazenta handelt es sich um ein gesundes Organ ohne Vorerkrankungen, welche die Testergebnisse beeinflussen könnten
- eine Vielzahl von Parametern unterschiedlicher Zelltypen kann gleichzeitig gemessen werden, beispielsweise Cytokinausschüttung von Immunzellen und Hormonsynthese der Trophoblasten
- Plazenta-Gewebe-Explantate können mit autologem Blut oder Serum kultiviert werden, was beispielsweise von Bedeutung sein kann, wenn Substanzen an Serumproteine gebunden sind.
Die toxikologische Plazenta-Kaskade
Die Plazenta bietet die Möglichkeit, Chemikalien und Pharmazeutika in einer Testkaskade mit steigender Komplexität zu testen. Die frühen Stufen der Kaskade sind dabei von geringem Aufwand und können genutzt werden, um ungeeignete Substanzen frühzeitig herauszufiltern. Die späteren Tests sind komplexer und dienen der toxikologischen Analyse vielversprechender Substanzen, welche die in vorherigen Tests als unbedenklich eingestuft wurden.
Quellenangabe:
Scanning Electron Microscopy Images: Sandor Nietzsche, Center for Electron Microscopy, Jena University Hospital