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Samstag, 20. Januar 2018

Forschung

Von der Hautfabrik zum Human-on-a-Chip

Von Bettina Reckter | 27. Oktober 2016 | Ausgabe 43

Wo immer es geht, sollten Tierversuche vermieden werden. Dafür arbeiten Wissenschaftler fieberhaft an Ersatzmethoden – und stoßen an Grenzen.

BU Ersatzmethoden
Foto: Fraunhofer IGB

Hautfabrik: In der vollautomatisierten Anlage wächst die künstliche Haut in drei Wochen heran.

Von der Simulation am PC über Hochdurchsatzscreenings im Labor bis zu Bildgebungsverfahren und Biochips steht heute eine breite Palette an Techniken bereit, mit denen sich Chemikalien und Arzneimittel testen lassen. Zum Teil zeigen sie schon zuverlässiger als die bisher noch vorgeschriebenen Tierversuche an, ob der gewünschte pharmakologische Effekt eintritt und welche Nebenwirkungen dabei entstehen.

Ersatzmethoden im Überblick

In den Pharmaunternehmen gehört der Einsatz von Alternativmethoden zum täglichen Geschäft. Im Rechner sucht man dort nach erfolgversprechenden Molekülen oder Molekülstrukturen und vergleicht sie mit bekannten Wirkstoffen. Solche In-silico-Programme nutzen auch die Behörden standardmäßig, etwa die amerikanische FDA.

Anschließend lassen sich die Moleküle in-vitro, also im Reagenzglas an Gewebe oder Organstrukturen prüfen. „Für den Test von Substanzen gegen chronischen Gelenkverschleiß, sprich Arthrose, nutzen wir frischen Knorpel vom Schlachthof“, erklärt Joachim Coenen, Tierschutzbeauftragter bei der Merck KGaA in Darmstadt. Ähnliches gelte für die Erprobung von Krebsmedikamenten.

In diese Richtung zielt der Nachbau menschlicher Haut, den Wissenschaftler am Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB in Stuttgart entwickelt haben. Sie züchten Hautzellen, die sie per Biopsie entnommen haben, und bauen sie auf einer Matrix auf. Die Forscher sprechen von einem 3-D-Hautäquivalent. „Damit können wir prüfen, ob ein Stoff die Barrierewirkung der Haut aushebelt“, erklärt Sibylle Thude vom IGB. Gelingt ihm das, schauen die Forscher, wie er in tieferen Gewebeschichten in den Zellstoffwechsel eingreift.

Mithilfe von Laborhaut wollen die Forscher zum Beispiel bei der Entwicklung von Mitteln gegen den weißen Hautkrebs helfen. Frühzeitig erkannt, ist das sogenannte Plattenepithelkarzinom u. a. mit Lichttherapie gut heilbar. Dafür werden photosensibilisierende Wirkstoffe als Creme aufgetragen, die sich dann vor allem in den Tumorzellen anreichern. Anschließend wird die Haut mit einer auf die Creme abgestimmten Lichtquelle bestrahlt.

„Photochemisch entstehen so toxische Substanzen, die den Tumor in den Zelltod treiben“, sagt die Biologin. Wie das abläuft, kann sie mithilfe der Raman-Spektroskopie beobachten. Derzeit sucht die IGB-Forscherin Kooperationspartner, um das System weiterzuentwickeln.

Neben einzelnen Geweben können heute auch Miniaturorgane gezüchtet werden. Sind die wichtigsten auf einer einzigen Plattform realisiert, sprechen die Forscher vom Human-on-a-Chip. Darauf laufen im Prinzip die gleichen Stoffwechselreaktionen ab wie im menschlichen Körper.

Den ersten Chip mit menschlichen Organäquivalenten entwarfen Forscher um Uwe Marx und Roland Lauster am Institut für Biotechnologie der TU Berlin. Der Prototyp der Mikrofluidikplattform entstand zusammen mit dem Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS in Dresden. Heute wird die Technik durch die TissUse GmbH als Spin-off der TU Berlin vertrieben und kontinuierlich weiterentwickelt.

„Ein Multiorganchip ist in etwa so groß wie eine Visitenkarte“, erklärt TissUse-Geschäftsführer Uwe Marx. Die „Organe“ darauf sind über winzige Kanäle verbunden. Eine Mikropumpe befördert – ähnlich wie das menschliche Herz – kontinuierlich flüssiges Zellkulturmedium hindurch. Das soll den Blutkreislauf simulieren. TissUse-2- und 4-Organ-Chips finden bereits breite Anwendung in Industrie und Forschung. 2018 soll der 10-Organ-Chip auf den Markt kommen.

Chemiefirmen unterstützen die Entwicklung solcher Alternativmethoden zu Tierversuchen. So hat das Team um Robert Landsiedel, den Leiter der Einheit Toxikologische Kurzzeit-Prüfungen bei der BASF, Strategien entwickelt, mit denen man vollständig ohne Tierversuche prüfen kann, ob Substanzen zum Beispiel Hautsensibilisierung oder Augen- und Hautreizungen hervorrufen. Nach eigenen Angaben sei die Vorhersagegenauigkeit mindestens so gut wie beim Tierversuch. „Wir haben die Methoden nicht nur selbst entwickelt oder mitentwickelt, sie wurden auch von uns validiert und wir nutzen sie inzwischen bei unseren Routineprüfungen“, betont der Toxikologe.

Um die Hautsensibilisierung zu testen, wurden drei Alternativmethoden miteinander kombiniert. So lässt sich eine allergieauslösende Wirkung beim Menschen zu 94 % korrekt vorhersagen. Zum Vergleich: Der bisher gesetzlich vorgeschriebene Tierversuch hat eine Genauigkeit von 89 %. Zur Erfassung starker Augenschäden hat das Ludwigshafener Unternehmen sogar eine weltweit einzige Testapparatur, das Opacitometer, entwickelt.

Insgesamt wird rund ein Drittel aller toxikologischen Studien bei BASF heute mit Ersatz- und Ergänzungsmethoden durchgeführt. Landsiedel ist zuversichtlich, dass sich in Zukunft technische Systeme durchsetzen werden.

Soweit die Theorie. Denn in der Praxis erweist es sich oft als schwierig, auf Tierversuche zu verzichten, wenn nicht alle an einem Strang ziehen – etwa vor dem Hintergrund zunehmender Globalisierung. „Es nutzt nur wenig, wenn eine Alternativmethode in der EU anerkannt wird, nicht aber in Amerika oder Asien“, sagt Landsiedel. Wenn die Behörden anderer Länder für die Zulassung weiter einen Tierversuch forderten, dann müsse man dem nachgeben.

Doch ganz ohne den Einsatz von Labortieren geht es heute noch nicht. „Hat sich eine Substanz bis hierher bewährt, ist der Tierversuch vor den klinischen Studien am Menschen unerlässlich“, weiß der Merck-Tierschutzbeauftragte Coenen.

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