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Biotechnologische Wertstoffgewinnung entlang der Prozessketten Grüner und Pflanzenöl-Bioraffinerien
(2014)
Der nachwachsende Rohstoff Raps ist in großen Mengen verfügbar und eine Quelle für Biomoleküle mit hohem Wertschöpfungspotenzial. Entwicklungen zur biotechnologischen Wertstoffgewinnung werden dabei schwerpunktmäßig in den Bereichen Aufarbeitung und Funktionalisierung von Polyphenolen und Fetten betrieben. Bei der Verarbeitung der Pflanzenmaterialien werden dabei insbesondere Verfahren zur adsorptiven Aufreinigung und Auftrennung mittels Materialien mit modifizierten Bleicherden und anderen organischen oder anorganischen Adsorbentien untersucht. Ferner wurden für die Aufreinigung von Polyphenolen adsorptive sowie extraktive Prozesse entwickelt. Bei den Entwicklungen wird berücksichtigt, dass Bioraffinerien auf eine fortwährende Gewährleistung eines hohen Produktions- bzw. Lieferbedarfs nachwachsender Rohstoffe angewiesen sind. Somit werden Optionen dezentraler regionaler Vorbehandlungs- und Wertschöpfungsketten in der Nähe landwirtschaftlicher Betriebe einbezogen. Neben neuen Aufreinigungsverfahren werden mikrobielle und enzymatische Prozesse zur wertsteigernden Umsetzung von Glycerin, Polyphenolen und Zuckermonomeren vorgestellt sowie Limitierungen nachwachsender Rohstoffe der 2. Generation diskutiert.
Prozessintegrierte Magnetseparation im Labormaßstab mittels High-Gradient Magnetic Separator (HGMS)
(2014)
Die Hochgradient-Magnetseparation (HGMS) stellt eine Alternative zu konventionellen Methoden der Proteinaufarbeitung wie Filtration und Chromatographie dar und dient zudem als Prozessintensivierung. Bisherige Separatoren sind für Anwendungen von mehreren Litern Prozessvolumina Fermentationsmedium und Gramm Magnetpartikel ausgelegt. Bei der Entwicklung und Anwendung neuartiger Magnetpartikeloberflächen ist die Verfügbarkeit großer Mengen nicht gegeben. Bisherige Filterkammern erhöhen zudem den Arbeitsaufwand und verursachen größere Partikelverluste bei Spülvorgängen oder der Reinigung aufgrund der Partikeladsorption. Für Anwendungen im Maßstab < 500 mL wird deshalb ein Miniatur-Hochgradientfilter (miniHGF) entwickelt. Das Modell wird im 3D-Drucker Makerbot Replicator 2 gefertigt und magne-isierbare Drähte zur Partikelabscheidung eingesetzt. Die Vergleichbarkeit mit einem etablierten Magnetseparator wird anhand der Aufnahme von Durchbruchskurven und Bestimmung der Filtereffizienz untersucht. Die Praxistauglichkeit mit kleinen Volumina wird in wiederholten Batch-Versuchen mit auf Magnetpartikeln immobilisiertem Enzym und einem kolorimetrischen Assay geprüft.
Primäre Ziele der Hydrolyse pflanzlicher nachwachsender Rohstoffe sind möglichst hohe Zuckerkonzentrationen für nachfolgende Fermentationen und eine Maximierung der Produktivität. Zur Optimierung dieser Prozesse wird Organosolv-aufgeschlossene Buchenholz-Cellulose verwendet. Die Hydrolyse des Faserstoffes erfolgt mithilfe von Novozymes CTec2-Enzymen. Die Hydrolysen konnten durch neue Rührerelemente auf einen Maßstab von 1000 L übertragen werden. Dabei konnten maximale Ausbeuten (g Glucose g –1 Glucose im Faserstoff) bis 81 g g – 1 und Konzentrationen von 152 g L –1 erreicht werden. Zurzeit können unter Einsatz eines Feststoffreaktors Cellulosefasern in einer Konzentration bis 400 g L –1 enzymatisch hydrolysiert werden. Die cellulolytischen Enzyme stoßen bei hohen Feststoffkonzentrationen an ihre Grenzen. Mit steigendem Feststoffgehalt nimmt die Hydrolyseausbeute ab. Ein Ansatz zur Steigerung der Effizienz ist der Einsatz ligninolytischer Enzyme, die Ligninreste an der Organosolv-Cellulose aufschließen können. Eine solche Verbesserung der Zugänglichkeit für cellulolytische Enzyme an ihr Substrat wurde durch Kulturüberstände verschiedener ligninolytischer Pilze erreicht. Mit Kulturüberständen von Stereum sp. sind Steigerungen der Glucoseausbeuten um bis zu 30 % möglich.
Bei der Verarbeitung nachwachsender Rohstoffe entsteht aus Cellulose oder Stärke u. a. das wichtige Produkt Glucose. Diese niedermolekulare Kohlenhydratquelle wird üblicherweise als Substrat für biotechnologische und chemische Synthesen verwendet. Ein wirtschaftlich interessantes Oxidationsprodukt der Glucose ist Gluconsäure, die beispielsweise als Lebensmittelzusatzstoff (E 574), in der Medizin und Metallindustrie Verwendung findet. Die Umsetzung des Monosaccharids zu Gluconsäure erfolgt entweder durch mikrobielle Fermentation oder der Oxidation an heterogenen Katalysatoren. Die Zielsetzung der Studie ist die Untersuchung der Glucoseoxidation an magnetisierbaren Gold-Nanopartikeln unter nachfolgender Bypass-Separation des Katalysators mittels einer neuen Mini-HGMS-Einheit (Hochgradient-Magnetseparation). Dieser Filtertyp ermöglicht die selektive Trennung magnetischer Partikel aus Suspensionen mit hohem Feststoffgehalt oder Viskosität. Erste Ergebnisse zeigen eine Beladungskapazität des selbstkonstruierten Mini-HGMS von 550 mg goldbeschichteter magnetisierbarer Nanopartikel. Die Oxidation erfolgt bei einem pH-Wertvon 9, bei 40 °C und mit 100 mM Glucose in einem begasten Rührkesselreaktor. Das System soll zukünftig zum Katalysatorrecycling von hochviskosen und Feststoffbelasteten Produktströmen aus Bioraffinerien eingesetzt werden.
Aktiver und passiver antimikrobieller Oberflächenschutz durch funktionalisierte Mikropartikel
(2014)
Mikrobielle Verunreinigungen von Oberflächen in technischen und medizinischen Systemen sind allgegenwärtig. Sie basieren üblicherweise auf adsorptiven Oberflächenbindungen organischer Komponenten (Proteine und Fette) oder Membrankomponenten aerogener sowie wassergebundener Mikroorganismen. In laufenden Forschungsarbeiten wird eine aktive sowie passive Biomodifikation von Oberflächen zu deren Schutz vor Adsorption von Proteinen und Mikroorganismen verfolgt. Der antimikrobielle Schutz soll dabei sowohl durch die Mikrostrukturierung bzw. Rauheitsanpassung der Oberflächen durch deren Beschichtung mit Mikro-und Nanopartikeln erfolgen. Ferner werden antimikrobielle Enzyme und funktionelle Gruppen auf den Mikropartikeln gebunden, um den Oberflächenschutz zu verstärken. In ersten Versuchen wurden quartäre Ammoniumverbindungen auf eigens synthetisierten superparamagnetischen Eisenoxid-Nanopartikeln (Durchmesser 10 – 30 nm) immobilisiert und die wachstumshemmende Wirkung untersucht. Erste Ergebnisse zeigten, dass eine Konzentration von 10 mg mL⁻¹ der Ammoniumverbindung in einer Wachstumshemmung des verwendeten Gram-negativen Modell-Mikroorganismus E. coli GFPmut2 resultiert. Zurzeit werden synergistisch wirkende Kombinationen von Partikeln mit Proteasen, quartären Ammoniumverbindungen, hydrophoben Oberflächen und mikrostrukturierten Oberflächen als antimikrobieller Schutz untersucht.
Cytochrom P450 sind Häm-Proteine, die zur Enzymklasse der Oxidoreduktasen (EC 1.14.xy) gehören. Eine wichtige Reaktion ist die Hydroxylierung nichtaktivierter C–H-Bindungen, die in technischen Systemen von großem Interesse ist. Durch die Verwendung von M-IDA-2-Partikeln ist eine direkte Aufreinigung mit gleichzeitiger Immobilisierung und die Applikation der Enzyme aus dem Zelllysat möglich. Damit ist das Verfahren mehr als fünf Stunden schneller als die konventionelle Chromatographie und mehr als 80 % der Aufreinigungszeit wird gespart. Mit dem isolierten nativen Enzym konnte die Plattformchemikalie 9,10-Dihydroxystearinsäure aus Ölsäure hergestellt werden. Unter anderem für die Kunststoffindustrie können aus diesem Produkt wichtige Monomere wie z. B. Azelainsäure hergestellt werden. Die Bildung des Produkts erfolgt in einem zweiphasigen Reaktionssystem an der Grenzfläche zwischen dem Öl und der wässrigen Phase als Feststoff. Um das immobilisierte Enzym aktiv in die obere Phase zu transportieren, wurde eine neue magnetische Mischvorrichtung entwickelt. Das Reaktionsprodukt wurde mit NMR, GC-MS und HPLC-MS analysiert und mit einem chemisch synthetisierten Standard von 9,10-Dihydroxystearinsäure verglichen. Derzeit werden Studien des immobilisierten Häms des Enzyms durchgeführt.
Üblicherweise werden biotechnologische Reaktionssysteme im mikrofluidischen Maßstab in vorstrukturierten Bauteilen oder mit auf Wellplatten basierenden Robotersystemen realisiert. In dem hier vorgestellten System werden chemische oder biologische Reaktionen mit magnetischen Mikroreaktoren (MR) durchgeführt, bei denen hydrophobe magnetische Mikropartikel einen wässrigen Kern umschließen. Solche MR bieten eine gute Kontrolle der Reaktionsbedingungen, eine verbesserte Sicherheit und Portabilität. Die neue Plattformtechnologie ermöglicht die zweidimensionale Bewegung der magnetischen MR auf einer planaren Ebene. Oberhalb oder unterhalb der Plattform werden Magnetfeldgradienten zum Manipulieren und Bewegen eines oder mehrerer magnetischer MR erzeugt. Die optimal auf die MR wirkenden magnetischen Kräfte werden experimentell ermittelt und simuliert. Die Aktivierung der Magnetfelder wird automatisiert durch elektrische Spulen mit Eisenkern bzw. Neodymmagnet gesteuert. Angewendet wurde das System beim reversiblen Öffnen von MR, um z. B. Reaktionspartner in den wässrigen Kern zu injizieren oder Proben zu entnehmen. Ferner wurde Lac-case A und b-Glucosidase auf einer Quarzglasoberfläche immobilisiert und mit einem MR zum Reagieren gebracht. Weiterhin wurden MR fusioniert und so ein wässriger Kern bestehend aus Laccase mit einem aus dem entsprechenden Substrat Syringaldazin vereint.
In der Biotechnologie stellt Einzelstrang-DNA (ssDNA) eine Schlüsselrolle dar und fungiert z. B. als Baustein für die nanoskalige Feinmechanik oder als Affinitätsligand, ein sog. Aptamer. Hinsichtlich der industriellen Verwendung bieten Aptamere im Vergleich zu Antikörpern viele Vorteile, wie z. B. eine gute Renaturierung bzw. die Selektion für cytotoxische Moleküle. Aktuell wächst die Nachfrage für chimäre Aptamere von bis zu 200 n, um die simultane Bindung bzw. die Modifikation mehrerer Moleküle zu realisieren. Bis heute wird ssDNA mittels einer sequentiellen Synthese hergestellt, die eine Effizienz von ca. 99,5 % je Zyklus und bereits bei einer Produktlänge von 100 n nur noc hAusbeuten von max. 60 % zeigt. Um dem Bedarf an ssDNA im Bereich > 100 n zu entsprechen, wurden zwei enzymatische Verfahren zur Produktion dieser Makronukleotide entworfen. Die erste Technik basiert auf einerFestphasen-PCR und ermöglicht sowohlein Primer- als auch ein Templatrecycling. Das zweite Verfahren beruht auf einer Plasmidbasierten In-vivo-Amplifikation, der sog. AptaGENE®-Technologie. In einer einzigen Klonierung werden bis zu 100 Kopien des Monomers in einen Vektor kloniert. Nach einer Transformation folgt der reguläre Produktionsprozess in Form einer Kultivierung, Plasmidpräparation und sequenziellen Aufarbeitung von bis zu 6 · 10¹⁵ Makronukleotiden pro Milliliter Fermentationsvolumen.
Die Nutzung von Biomasse aus pflanzlichen Abfällen für die stoffliche Verwertung rückt immer stärker in den Vordergrund. Dabei ist vor allem die ganzheitliche Verwertung der Stoffströme von Bedeutung, da diese einen integrativen Ansatz ermöglichen. Im Rahmen dieser Arbeit wird die Produktion von Einzellerproteinen (Single-Cell Proteins, SCPs) mithilfe von unterschiedlichen Rohsubstraten dargelegt. Somit können Reststoffströme, die in keiner Konkurrenz zur Produktion von Lebensmitteln stehen, für die Herstellung von Futter- und auch Nahrungsmitteln Verwendung finden. Die zunächst thermisch vorbehandelten Ausgangsmaterialien stammen aus forstwirtschaftlichen und grünen Abfällen und ermöglichen durch eine anschließende enzymatische Hydrolyse die Freisetzung von Monosacchariden. Aus diesen erfolgt die SCP-Produktion fermentativ mithilfe der drei Modellorganismen Bakterium, Hefe und Pilz. Hierfür wird sowohl das flüssige Hydrolysat als auch der feste Reststoff auf der Basis einer Feststofffermentation genutzt. Auf diese Weise ist eine vollständige Verwertung der Ausgangsmaterialien möglich. Mit den gewonnen Daten erfolgt abschließend eine Bewertung der SCPs aus nachwachsenden Rohstoffen als alternative Proteinquelle.
Der zunehmende Bedarf an fossilen Rohstoffen bei gleichzeitig abnehmender Versorgungssicherheit führt zu einer intensiven Suche nach erneuerbaren Ressourcen. Ein vielversprechendes Ausgangsmaterial mit einer weltweiten Verfügbarkeit stellt Gras dar. In 2012 wurden in Deutschland 33 Millionen Tonnen (Heugewicht) Gras auf 4,82 Millionen Hektar Ackerland produziert, davon wurden 60,5 % siliert. Durch die Silierung kann Gras als Substrat zeitlich uneingeschränkt verfügbar sein, ohne dem Risiko des schnellen Verderbs ausgesetzt zu sein. Eine Schlüsselrolle im Rahmen des Silierprozesses nimmt die Produktion von Milchsäure ein. Milchsäure ist einbedeutendes biotechnologisches Produkt für die Lebensmittel- und die chemische Industrie. Im Rahmen dieser Arbeit wird die vollständige Umwandlung der fermentierbaren Zucker in der Silage zu Milchsäure angestrebt, um die maximale Ausbeute der organischen Säure zu erreichen. Im ersten Verfahrensschritt wird die Silage gepresst und der erhaltene Presskuchen einer Liquid-Hot-Water-Behandlung unterzogen. Durch diese einfache Vorbehandlung können hohe Glucoseausbeuten im nachfolgenden SSF-Schritt bei gleichzeitig geringem Enzymeinsatz und Chemikalienverbrauch realisiert werden. Zur Aufreinigung der Milchsäure wurden extraktive und chromatographische Methoden untersucht.
Einige Arten der Braun- und Weißfäulepilze sind in der Lage, selektiv entweder Lignin oder Cellulose im Holz abzubauen. Diese Pilze können für eine energiesparende Vorbehandlung lignocellulosehaltiger Biomasse für Bioraffinerien genutzt werden, ohne auf technisch aufwändige Aufschlussapparate zurückgreifen zu müssen. Weißfäulepilze bauen bevorzugt Lignin ab, wodurch die verbleibende Cellulose leichter für enzymatische Hydrolysen in das Monosaccharid Glucose zugänglich wird. Braunfäulepilze bauen dagegen Cellulose und Hemicellulose ab. Die Auswirkungen der Behandlung von Weizenstroh mit verschiedenen Pilzarten werden zurzeit untersucht. Dabei werden die Veränderung der enzymatischen Hydrolysierbarkeit des Substrats sowie die gebildeten Ligninderivate bestimmt. Detaillierte Betrachtungen der Biomasseveränderung werden mithilfe spezifischer Färbemethoden durchgeführt, durch die morphologische Veränderungen der Pflanzengewebe in der 3D-Lichtmikroskopie dargestellt werden können.
Die Teilefertigung durch Rapid Prototyping (RP) verkürzt den Weg von der Idee bis zum Produkt, wobei unter anderem Optimierungszyklen in geringer Zeit durchlaufen werden können. Ferner eröffnen neue Entwicklungen in diesem Bereich die Möglichkeit individueller Produktionsverfahren. Im Unterschied zur klassischen Fertigung von Prototypen wird beim RP mit additiver Schichtfertigung (Additive Layer Manufacturing, ALM) gearbeitet. Je nach Methode werden Flüssigkeiten oder Pulver nach Vorgaben eines 3D-Computermodells sequentiell aufgetragen. Diese Verfahren existieren seit ca. 25 Jahren, jedoch sind seit kurzem ausgesprochen günstige Geräte verfügbar, die Objekte mit Genauigkeiten bis 20 lm fertigen können. Das RP hat in klinischen Anwendungsgebieten bzw. im Bereich des Tissue Engineering bereits vielfach Einzug gefunden. Aber auch chemisch-biotechnologische Entwicklungen können von den Verfahren profitieren. So wurden Mikrofluidiksysteme und Bioreaktoren bereits erfolgreich durch RP gefertigt. Durch ALM ist ebenso die Herstellung von Reaktionseinheiten aus biokompatiblen Materialien wie ionotropen Gelen möglich. Ferner sind sehr komplexe Strukturierungen von Oberflächen im Nanometerbereich realisierbar, die für die Auftragung heterogener Katalysatoren oder auch Mikroorganismen eingesetzt werden können. Auch der Bereich Reaktoren- und Apparatebau kann von den Fortschritten in der additiven Fertigung profitieren. Verfahren wie selektives Laser- oder Elektronenstrahlschmelzen erlauben es, metallische Komponenten in nahezu beliebigen Geometrien zu fertigen. Somit können Strukturen verwirklicht werden, die mit konventionellen Fertigungstechniken nur sehr schwer oder überhauptnicht herstellbar wären. Durch Anwendung von rechnergestützter Modellierung können optimale Strukturen identifiziert und additiv gefertigt werden. Eine anschließende katalytische Funktionalisierung der Oberfläche ermöglicht die Herstellung strukturierter Reaktoren mit maßgeschneiderten Eigenschaften.
In diesem Beitrag wird die NIR- und MIR-Spektrometrie in Kombination mit multivariaten Kalibrationsmodellen zur Analyse von Monosacchariden und Cellulose aus Biomasse etabliert. Spektrengemischter Standardlösungen mit definierten Glucose- und Xylosekonzentrationen in Wasser werden im NIR-(Lambda 750, Perkin Elmer, USA) und MIR-Bereich (Spektrum 100, PerkinElmer) in Gegenwart von entweder Carboxymethylcellulose oder Grasfasern aufgenommen. Darauf basierend werden Kalibrationsmodelle (Unscrambler®, CAMO-Software AS, Norwegen) entwickelt und zur Vorhersage der Zuckerkonzentration in den Hydrolyseproben und der Celluloseanteile angewendet. Darüber hinaus wird die Partikelgröße der Rohstoffe bestimmt. Die Messergebnisse bilden die experimentelle Basis für die numerische Modellierung der Reaktionskinetik der enzymatischen Hydrolyse von Lignocellulose. Das Modell kombiniert die Bilanzierung der Partikelgrößenverteilungen mit der Multienzymkinetik. Dabei werden neben der Partikelgrößenverteilung und der Substratkonzentration die Zusammensetzung der Rohstoffe nach Vorbehandlung sowie die Produktinhibierung und mehrere enzymatische Aktivitäten berücksichtigt. Das Modell ermöglicht es, die Partikelgrößenverteilungen und die Konzentrationen der Substrate und Produkte während der Hydrolyse vorherzusagen und die kinetischen Parameter im Batch- sowie im Fed-Batch-Reaktor zu bestimmen.
In der Reihe der nachwachsenden Rohstoffe besitzt Holz als erneuerbare und umweltfreundliche Ressource ein großes Potenzial. Über 11 Mio. ha Holz, das laut der Fachagentur für nachwachsende Rohstoffe (FNR) auch für industrielle Zwecke genutzt werden kann, wuchsen im Jahr 2013 allein auf bundesdeutscher Fläche. 56,8 Mio. m³ jährlicher Holzeinschlag in den letzten zehn Jahren wurde zu knapp der Hälfte stofflich und der Rest energetisch verwertet. Im Rahmen dieser Arbeit konnte auf der Basis vom Holz der Buche, die nach Fichte und Kiefer die dritthäufigste Baumart in Deutschland ist und 15% der deutschen Waldfläche ausmacht, die Fraktionierung der polymeren Hauptbestandteile mit niedrigem energetischen Einsatz erreicht werden. Hierbei werden in einem nachgeschalteten Extraktionsprozess die beiden Komponenten Hemicellulose und Lignin in flüssiger Form von der finalen festen Cellulosefraktion abgetrennt. Die Extraktion der Hemicellulose erfolgt durch eine Liquid Hot Water (LHW)-Behandlung. Untersucht wird der katalytische Zusatz anorganischer Säuren wie H₃PO₄ und H₂SO₄. Im Hinblick auf die weitere Verwertung von Lignin zu aromatischen Synthesebausteinen kommt die Organosolv-Extraktion mit einem Ethanol/Wasser-Gemisch zum Einsatz. Von Vorteil ist die weitere Verwendung beider Stoffströme ohne Fällungsschritt und nachteiliger Verdünnung der Hemicellulose.
Technische Cellulose wurde als möglicher Rohstoff zur fermentativen Produktbildung untersucht. Hierfür wird Cellulose in der Lignocellulose-Bioraffinerie hergestellt und daraus Hydrolysat gewonnen. Die Prüfung der technischen Hydrolysate als Substrate erfolgte anhand eines breiten Spektrums an Bioprodukten, von Kraftstoffen wie Ethanolund Butanol, bis zu den Dicarbonsäuren Itacon- und Bernsteinsäure. Dabei werden Bakterien, Hefen und Pilze als Produktionsorganismen eingesetzt. Die einzelnen Herstellverfahren stellen unterschiedliche Anforderungen an die Substrathandhabung. Im Fall der Ethanol- und Butanol-Gewinnung kann eine simultane Saccharifizierung und Fermentierung (SSF) durchgeführt werden. Aufgrund der Produkttoxizität erfordert die Butanol-Herstellung dabei eine In-situ-Produktabtrennung durch Lösemittelimprägnierte Partikel. Die Herstellung der beiden Dicarbonsäuren unterscheidet sich in der Sensitivität der verwendeten Mikroorganismen gegenüber Inhibitoren, die in Spuren im Hydrolysat enthalten sind. Die Bernteinsäurebildung mit Actinobacillussuccinogenes kann mit unbehandeltem Hydrolysat erfolgen. Dagegen erfordert die Gewinnung von Itaconsäure mit A. terreus eine Detoxifizierung des Hydrolysats. Insgesamt konnte gezeigt werden, dass sämtliche Bioraffinerie-Hydrolysate als Substrate für unterschiedliche Fermentationen geeignet sind.
Molecular Modeling Approach to the Prediction of Mechanical Properties of Silica-Reinforced Rubbers
(2014)
Recently, we have suggested a nanomechanical model for dissipative loss in filled elastomer networks in the context of the Payne effect. The mechanism is based on a total interfiller particle force exhibiting an intermittent loop, due to the combination of short-range repulsion and dispersion forces with a long-range elastic attraction. The sum of these forces leads, under external strain, to a spontaneous instability of “bonds” between the aggregates in a filler network and attendant energy dissipation. Here, we use molecular dynamics simulations to obtain chemically realistic forces between surface modified silica particles. The latter are combined with the above model to estimate the loss modulus and the low strain storage modulus in elastomers containing the aforementioned filler-compatibilizer systems. The model is compared to experimental dynamic moduli of silica filled rubbers. We find good agreement between the model predictions and the experiments as function of the compatibilizer's molecular structure and its bulk concentration.
1. Drug metabolizing enzymes and transporters play important roles in the absorption, metabolism, tissue distribution and excretion of various compounds and their metabolites and thus can significantly affect their efficacy and safety. Furthermore, they can be involved in drug–drug interactions which can result in adverse responses, life-threatening toxicity or impaired efficacy. Significant species differences in the interaction of compounds with drug metabolizing enzymes and transporters have been described.
2. In order to overcome the limitation of animal models in accurately predicting human responses, a large variety of mouse models humanized for drug metabolizing enzymes and to a lesser extent drug transporters have been created.
3. This review summarizes the literature describing these mouse models and their key applications in studying the role of drug metabolizing enzymes and transporters in drug bioavailability, tissue distribution, clearance and drug–drug interactions as well as in human metabolite testing and risk assessment.
4. Though such humanized mouse models have certain limitations, there is great potential for their use in basic research and for testing and development of new medicines. These limitations and future potentials will be discussed.
In humans, 75% of all drugs are metabolized by the cytochrome P450-dependent monooxygenase system. Enzymes encoded by the CYP2C, CYP2D, and CYP3A gene clusters account for ∼80% of this activity. There are profound species differences in the multiplicity of cytochrome P450 enzymes, and the use of mouse models to predict pathways of drug metabolism is further complicated by overlapping substrate specificity between enzymes from different gene families. To establish the role of the hepatic and extrahepatic P450 system in drug and foreign chemical disposition, drug efficacy, and toxicity, we created a unique mouse model in which 30 cytochrome P450 genes from the Cyp2c, Cyp2d, and Cyp3a gene clusters have been deleted. Remarkably, despite a wide range of putative important endogenous functions, Cyp2c/2d/3a KO mice were viable and fertile, demonstrating that these genes have evolved primarily as detoxification enzymes. Although there was no overt phenotype, detailed examination showed Cyp2c/2d/3a KO mice had a smaller body size (15%) and larger livers (20%). Changes in hepatic morphology and a decreased blood glucose (30%) were also noted. A five-drug cocktail of cytochrome P450 isozyme probe substrates were used to evaluate changes in drug pharmacokinetics; marked changes were observed in either the pharmacokinetics or metabolites formed from Cyp2c, Cyp2d, and Cyp3a substrates, whereas the metabolism of the Cyp1a substrate caffeine was unchanged. Thus, Cyp2c/2d/3a KO mice provide a powerful model to study the in vivo role of the P450 system in drug metabolism and efficacy, as well as in chemical toxicity.
Organic anion transporting polypeptide (Oatp) 1a/1b knockout and OATP1B1 and -1B3 humanized mouse models are promising tools for studying the roles of these transporters in drug disposition. Detailed characterization of these models will help to better understand their utility for predicting clinical outcomes. To advance this approach, we carried out a comprehensive analysis of these mouse lines by evaluating the compensatory changes in mRNA expression, quantifying the amounts of OATP1B1 and -1B3 protein by liquid chromatography–tandem mass spectrometry, and studying the active uptake in isolated hepatocytes and the pharmacokinetics of some prototypical substrates including statins. Major outcomes from these studies were 1) mostly moderate compensatory changes in only a few genes involved in drug metabolism and disposition, 2) a robust hepatic expression of OATP1B1 and -1B3 proteins in the respective humanized mouse models, and 3) functional activities of the human transporters in hepatocytes isolated from the humanized models with several substrates tested in vitro and with pravastatin in vivo. However, the expression of OATP1B1 and -1B3 in the humanized models did not significantly alter liver or plasma concentrations of rosuvastatin and pitavastatin compared with Oatp1a/1b knockout controls under the conditions used in our studies. Hence, although the humanized OATP1B1 and -1B3 mice showed in vitro and/or in vivo functional activity with some statins, further characterization of these models is required to define their potential use and limitations in the prediction of drug disposition and drug-drug interactions in humans.