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Donnerstag, 14. September 2017, Ausgabe Nr. 37

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Diagnostik

Multiorganchip soll künftig Tierversuche ersetzen

Von Silvia Weiden | 20. Februar 2015 | Ausgabe 08

Deutsche Forscher haben ein Testsystem entwickelt, das Proben verschiedener menschlicher Gewebe und Organe mit einem künstlichen Blutkreislauf verbindet. So lassen sich Stoffwechselvorgänge und Krankheitsabläufe authentisch nachstellen. Viele Tierexperimente in medizinischer Forschung und Kosmetikindustrie könnten ersetzt werden.

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Foto: Fraunhofer IWS

Das Miniorgan verbindet lebende Zellproben untereinander mit einem eigenen Blutkreislauf.

Bevor eine neue Arznei beim Menschen eingesetzt wird, muss ihre Sicherheit und Wirksamkeit im Tierversuch erwiesen sein. Dabei wird auch geprüft, ob der Wirkstoff schwere Nebenwirkungen verursacht, Erbgut und Embryonen schädigt oder Krebs auslöst.

Auf solche Tests würden nicht nur Tierschützer gern verzichten. Auch die Industrie sucht nach einfach zu handhabenden Ersatzmethoden, mit denen sich Wirkungen von Arzneimitteln, Kosmetika oder Chemikalien authentisch nachbilden lassen. Die Suche könnte ein neuartiger Multiorganchip jetzt beenden, der unter Leitung von Roland Lauster am Institut für Biotechnologie der TU Berlin entwickelt wurde.

Das chimäre System verbindet menschliche Zellproben aus unterschiedlichen Organen mit einem künstlichen Blutkreislauf. Prototypen des Mikrofluidikchips hatte das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS in Dresden dafür erzeugt.

„Das System ist ein Miniorganismus im Maßstab 1:100 000 zum Menschen“, erläutert Frank Sonntag vom Fraunhofer-Institut IWS. Auf dem etwa streichholzschachtelgroßen Chip werden an bestimmten Positionen menschliche Zellen aus verschiedenen Organen aufgebracht. Sie stammen aus genetisch genau charakterisierten Gewebespenden, die für Forschungszwecke verfügbar sind.

Die „Miniorgane“ sind durch winzige Kanäle miteinander verbunden. Ähnlich wie das menschliche Herz befördert eine Mikropumpe kontinuierlich flüssiges Zellkulturmedium durch diese Kanäle. „Damit simulieren wir den menschlichen Blutkreislauf“, erklärt Sonntag.

Den genauen Aufbau des Chips, also die Anzahl der simulierten Organe sowie die Verbindung mit den Mikrokanälen, können die Forscher spezifisch an die jeweilige Fragestellung und Anwendung anpassen. Um beispielsweise zu testen, wie verträglich eine Substanz ist, bestückt man den Chip zunächst mit Zellproben derjenigen Organe, die für die angestrebte Wirkung entscheidend sind. Über jenes Miniorgan, an dem der Stoff im menschlichen Körper normalerweise in den Blutkreislauf eintritt, führen die Forscher dann den Wirkstoff zu.

Die Idee, verschiedene Zellproben mit Kanälen zu verbinden, gibt es schon länger. Neu ist aber der Einsatz der Mikropumpe: Sie befördert winzigste Mengen von unter 0,5 µl/s durch die Kanäle.

„Dadurch ist das Verhältnis zwischen Zellprobe und flüssigem Medium realitätsgetreu“, erläutert der Fraunhofer-Forscher. Stimmt dieses Verhältnis nicht, führt es zu ungenauen Ergebnissen. Außerdem entsteht eine Strömung im System. Wie das menschliche Blut fließt das Medium kontinuierlich durch den gesamten Kreislauf auf dem Chip. Das ist wichtig, da manche Zelltypen sich nur dann authentisch verhalten, wenn sie durch eine Strömung angeregt werden.

Auf diese Weise gelang es den Forschern bereits, Haut und Leber, Leber und Niere oder Haut und Gewebe des Immunsystems miteinander zu verbinden. Ein solcher Zwei-Organe-Chip wird derzeit für Fragestellungen in der Kosmetikindustrie getestet. „Unser Ziel ist ein Chip, auf dem zehn Organe miteinander verbunden werden, gewissermaßen ein ‚Human on a chip‘“, betont Uwe Marx von der TU Berlin.

Künftig sollen zudem induzierte pluripotente Stammzellen, kurz iPS-Zellen, auf dem Chip zum Einsatz kommen, so Marx. IPS-Zellen sind Verwandlungskünstler, die sich vergleichsweise einfach in andere Gewebetypen umwandeln lassen. Werden sie von Patienten mit bestimmten genetischen Veränderungen gewonnen, lassen sich Erkrankungssituationen präzise nachstellen und in verschiedenen Organen abbilden.

Arzneimittelwirkstoffe und chemische Substanzen lassen sich damit auch in hoher Stückzahl testen. „So können Pharmahersteller schon früh in der Medikamentenentwicklung aussagekräftigere Schlüsse ziehen und womöglich Tierversuche reduzieren“, sagt der Berliner Wissenschaftler Marx.

Die enormen Vorteile, die solche Testsysteme eröffnen, treiben auch andere Forscher an. Die Gruppe um Peter Reinhardt vom Max-Planck-Institut für molekulare Biomedizin in Münster hat bereits ein Krankheitsmodell für Parkinson auf der Basis von iPS-Zellen entwickelt. Dazu hat man Hautzellen von Patienten gewonnen, die an der vererbbaren Form der Krankheit litten.

Die Zellen wurden im Reagenzglas in iPS-Zellen umgewandelt und kultiviert. Mit der neuen Zelllinie haben die Münsteraner Forscher nun ein in großer Stückzahl vervielfältigbares Ziel für neue Medikamente geschaffen.

Im Rahmen des „Tissue for Drug Screening“-Programms arbeiten auch US-Forscher an einem Multiorganchip. Das Ziel: Bis 2017 sollen zehn Miniorgane auf dem Chip miteinander verbunden werden.

Einen „Lungenchip“ haben kürzlich Forscher am Wyss-Institute for Biologically Inspired Engineering der Harvard University vorgestellt. Das Testsystem imitiert die Atembewegungen mithilfe von winzigen Pumpen, die Luft rhythmisch durch eine Kultur aus Bronchial-, Muskel- und Blutgefäßzellen bewegen.

Damit ließ sich beobachten, wie winzige Giftpartikel aus der Luft von den Atemwegszellen aufgenommen wurden und ins Gefäßsystem gelangten. Pharmafirmen haben bereits Interesse an dem System signalisiert, um Erkrankungen wie Asthma zu erforschen.

 

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