Multi-Organ-Chip – ein vollständiger Ersatz für Tierversuche?

Multi-Organ-Chip – ein vollständiger Ersatz für Tierversuche?

Prof. Ute Schepers hat sich auf die Entwicklung von Multi-Organ-Chips spezialisiert.

Er ist nicht viel größer als ein Smartphone und bietet dennoch Platz für mehrere menschliche Organe im Miniaturformat: Der Multi-Organ-Chip. Weltweit arbeiten Forschergruppen mit Hochdruck daran, diese Technologie weiterzuentwickeln. Denn die Wissenschaft verspricht sich viel von dem Mini-Chip, insbesondere für die Medikamentenentwicklung: Er kann dabei helfen, die Wirkungen und Nebenwirkungen einzelner Substanzen zu erproben. Dadurch können einerseits klinische Studien für Menschen noch sicherer und andererseits Tierversuche für Giftigkeitstests teilweise ersetzt werden.

 

Möglich gemacht haben diese Entwicklung die Erfolge in der Stammzellenforschung, die Entschlüsselung des menschlichen Genoms sowie der Fortschritt in der Mikrosystemtechnik. 2012 wurde schließlich der erste Multi-Organ-Chip mit zwei Organen präsentiert. Nur zwei Jahre später konnten bereits vier Miniorgane auf dem Chip miteinander gekoppelt werden. Aktuell arbeiten Wissenschaftler daran, den ersten Chip mit zehn Organen oder mehr (body-on-a-chip) zu entwickeln.

 

Was genau ist ein Multi-Organ-Chip?

 

Und so funktioniert der kleine Wunder-Chip: Mit einem 3D-Drucker werden die dreidimensionalen Miniorgane, die nicht größer als eine Fingerkuppe sind, schichtweise auf ein Kunststoffplättchen, den sogenannten Chip, aufgetragen. Das Ergebnis ist aber keinesfalls das Miniatur-Format des echten Organs. „Der Chip misst meist zwei mal acht Zentimeter und ist so groß wie ein Mikroskopobjektträger“, erklärt Prof. Ute Schepers. Sie arbeitet am Institut für Toxikologie und Genetik des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und ist Mitbegründerin von vasQlab, das sich auf die Entwicklung von Multi-Organ-Chips spezialisiert hat. Ein Mini-Organ besteht aus einer dreidimensionalen Anordnung von Zellen, die der kleinsten Funktionseinheit des Organs entsprechen. Die Zellen stammen aus Gewebe, das zum Teil als Abfallprodukt von Operationen gewonnen oder gespendet wird.

 

Welche Alternativen gibt es zu Tierversuchen?

Auf dem Chip können verschiedene Organe miteinander kombiniert werden, zum Beispiel Hirn, Darm, Leber, Lunge und Niere. Die Organe sind durch einen künstlichen Kreislauf von löchrigen Kanälen miteinander verbunden. Durch die haarfeinen Kanäle fließt eine blutähnliche Nährstofflösung. Eine kleine Pumpe übernimmt die Aufgaben des Herzens und pumpt im Takt die Lösung durch die „Adern“ des Mikrochips. Mit dieser Technik kann der Blutdruck und die Herzfrequenz gesteuert werden. Der Chip bildet den menschlichen Organismus in einem Verhältnis von eins zu 100.000 stark vereinfacht nach. Dennoch reagieren die Mini-Organe genauso wie echte Organe im Menschen.

 

Um zum Beispiel die Wirkung einer Tablette mit dem Chip zu testen, wird der Wirkstoff in die Nährstofflösung injiziert und die anschließende Reaktion der Organe beobachtet. Hierbei kommt es auf die Zusammensetzung der verbundenen Miniorgane an: Ein Organ muss die Substanz aufnehmen, ein anderes muss sie verarbeiten und ein weiteres die Substanz wieder ausscheiden. „Für die pharmazeutische Industrie sind daher Leber und Niere besonders interessant“, sagt Schepers. Indem dem Chip „Blutproben“ entnommen werden, können Wissenschaftler kontrollieren, ob die Substanz den gewünschten Effekt erzeugt.

 

Chancen eines Body-on-a-chip

 

Aufbau eines Multi-Organ-Chips

Aufbau eines Multi-Organ-Chips

Die Methode kann dadurch helfen, frühzeitig eine Entscheidung darüber zu treffen, welche Wirkstoffe weiterentwickelt werden sollten und welche nicht. Noch ist es eine Vision, aber die Forscher hoffen, dass es eines Tages einen Body-on-a-chip – also ein Chip mit allen menschlichen Organen – aus den Stammzellen eines jeden Patienten geben wird. An diesen könnten dann Krankheitssituationen individuell nachgestellt und überprüft werden, welche Medikamente dem Patienten am besten helfen. So gibt es heute viele Medikamente, die es nicht bis zur Zulassung schaffen, z. B. weil sie nur bei 60 Prozent der Patienten wirken. Mit dieser Technologie könnte man vorab erproben, ob der Patient zu der Personengruppe zählt, die von der Therapie profitieren würde.

 

Kann der Organ-Chip Tierversuche ersetzen?

 

Schepers ist sich der Grenze der Technologie bewusst: „Der Multi-Organ-Chip kann Tierversuche heute noch nicht vollständig ersetzen.“ Aktuell lassen sich bis zu vier Organe mit dem Chip verbinden – ein Bruchteil des gesamten menschlichen Organismus. Außerdem ist der Vier-Organ-Chip noch nicht so ausgereift, dass er optimal funktioniert: „Ein Knackpunkt ist beispielsweise noch die Durchblutung“, so Schepers. Das ist aber nicht die einzige Hürde hin zu einem individuellen Patientenchip: „Menschen haben viele Zellen, die nicht in einer Zellkulturschale vervielfältigbar sind, wie zum Beispiel bestimmte Leber- und Hirnzellen.“ Die Forschung gehe daher aktuell in die Richtung, sogenannte induzierte pluripotente Stammzellen (iPS-Zellen) so zu behandeln, dass sie die verschiedenen Organe bilden. „Ob das gelingen wird, wissen wir zum aktuellen Zeitpunkt jedoch noch nicht“, sagt Schepers.

 

Reduktion von Tierversuchen

 

Wenn auch ein vollständiger Verzicht auf Tierversuche in der Medikamentenentwicklung heute nicht möglich ist, könnten durch den Multi-Organ-Chip die Tierversuchszahlen reduziert werden. „In den nächsten fünf bis sechs Jahren rechne ich auf diesem Forschungsgebiet mit weiteren Erfolgen, weil gerade viele Wissenschaftler weltweit an dem Thema forschen“, so Schepers. Das Interesse der Industrie an der Alternativmethode sei zudem schon jetzt groß. „Die Pharmafirmen und auch die Politik stellen sich auf den Multi-Organ-Chip ein. Hier ist ein klarer Trend zu erkennen“, sagt sie. „Wenn wir in 20 Jahren auf Tierversuche im Pharmabereich verzichten könnten, dann wäre das schon ein großer Erfolg!“, unterstreicht sie ihr langfristiges Ziel. Denn bis so ein Chip die nötige Zertifizierung erhält, können durch bürokratisch aufwändige, internationale Validierungsprozesse mindestens zehn bis 15 Jahre ins Land ziehen.

 

Weiterführende Links

 

Fragen und Antworten zu Tierversuchen und Alternativmethoden des Bundesinstituts für Risikobewertung

 


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