Ein ganzer Körper auf einem Chip

Organe im Miniaturformat sollen Medikamente billiger und Tierversuche überflüssig machen. Verbindet man sie in möglichst naturähnlicher Weise, könnte eines Tages ein ganzer Körper auf einem Biochip simuliert werden. Forschern ist nun ein wichtiger Schritt gelungen.

Die Entwicklung von Medikamenten ist ein langwieriger und mühsamer Prozess. Bis ein neuer Wirkstoff tatsächlich auf dem Markt landet, vergehen oft viele Jahre. Nach In-Vitro-Tests an Zellkulturen, folgen Tierversuche und klinische Studien an Menschen, die Nebenwirkungen, Verträglichkeit, Wirkung und Nebenwirkungen untersuchen. Laut Schätzungen wird am Ende nicht mehr als ein Siebtel aller getesteten Substanzen zugelassen.

Laut den Forscherinnen und Forschern um Donald Ingber vom Wyss Institute der Harvard University hat die hohe Fehlerquote mehrere Gründe: Laborversuche mit einzelnen Zellen lassen keine exakten Prognosen zu, vor allem zu den Nebenwirkungen. Außerdem gebe es erhebliche Unterschiede zwischen Menschen und tierischen Modellorganismen. Ethische Bedenken haben Tierversuche zusätzlich in Misskredit gebracht.

Ersatz für Tiermodell

Um Tiermodelle zu ersetzen, wird derzeit weltweit an sogenannten “Organs-on-a-Chip“ geforscht. Ingber selbst hat mit Kollegen bereits vor zehn Jahren eine Lunge im Miniformat aus menschlichen Zellen entwickelt. Wie das echte Organ reagierte sie auf Luft, Bakterien oder Gift. Seitdem wurden auf solchen Biochips, die nicht viel größer sind als ein USB-Stick, diverse Organe im Mikroformat nachgebaut.

Man will die Reaktionen aber nicht nur in einem einzigen Organchip testen. Vielmehr sollen eines Tages alle menschlichen Organe im Miniformat fast wie in einem echten menschlichen Körper miteinander verbunden sein. Das könnte in Zukunft sogar klinische Studien überflüssig machen oder zumindest verkürzen. Denn Wirkungen wie Nebenwirkungen ließen sich im gesamten Organismus untersuchen: Wie wird eine Substanz aufgenommen, verstoffwechselt und wieder ausgeschieden? Wie verteilt sie sich? Und welche Dosis ist am wirksamsten?

Organchips auf einer Zeichnung des menschlichen Körpers von Leonardo da Vinci

Wyss Institute at Harvard University

Organchips auf einer Zeichnung des menschlichen Körpers von Leonardo da Vinci

Dafür sei es notwendig das ganze System möglichst nah am natürlichen Vorbild nachzubilden, betonen die Studienautoren um Ingber. Das betreffe nicht nur die Organe selbst, sondern auch die Gefäße, durch die eine blutähnliche Flüssigkeit fließt, sowie die membranartigen Verbindungen zu diesen Gefäßen.

Das ist dem Team nun gelungen: Zehn verschiedene Organchips (darunter Darm, Leber, Niere, Herz, Lunge, Haut, Blut-Hirn-Schranke und Gehirn) wurden miteinander verbunden. Das „Blut“ zirkulierte fast wie in einem echten Körper. Drei Wochen blieb das System und seine Miniorgane voll funktionsfähig und es ließ sich gut beobachten, wie sich Wirkstoffe darin verteilten, so die Forscherinnen und Forscher.

Wirkungen bestätigt

In einem nächsten Schritt testeten sie konkreten Substanzen in zwei Teilsystemen. Zuerst wurde die Auswirkung von Nikotin auf eine Darm-Leber-Niere-Konfiguration untersucht. Tatsächlich ließ sich anhand der gemessenen Daten hochrechnen, wie Nikotin im menschlichen Körper aufgenommen, verarbeitet und wieder ausgeschieden wird.

Dass solche Minilabore brauchbare Ergebnisse produzieren, bestätigte auch eine weitere Teilstudie mit dem zugelassenen Krebsmedikament Cisplation. Getestet wurde es in einem Mini-Organsystem aus Leber-, Niere- und Knochenmarkszellen. Das intravenös verabreichte Chemotherapeutikum hat toxische Nebenwirkungen, z.B. in den Nieren, wie man von behandelten Patienten weiß. Diese unerwünschten Effekte zeigten sich auch im Organmodell und ließen sich sogar entsprechend quantifizieren.

Bis tatsächlich der ganzen Körper samt allen Wechselwirkungen auf einem kleinen Chip simuliert werden kann, wird es noch dauern, schreiben die Autoren. Aber in Zukunft werde es immer besser gelingen, Laborergebnisse aus dem Miniorgansystem auf echte Menschen umzulegen. Das könnte die Entwicklung neuer Behandlungen deutlich beschleunigen: Am Biochip sei es einfacher, neue Wirkstoffe zu entdecken, deren Wirksamkeit sowie Giftigkeit zu überprüfen und auch personalisierte Medikamente zu produzieren.

Eva Obermüller, science.ORF.at

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