Interview: Ersatz für Tierversuche

Die Leber im Mikrochip-Format

12.05.15 | Autor / Redakteur: Das Gespräch führte LP-Chefredakteur Marc Platthaus / Dr. Ilka Ottleben

„ Auf Basis der Multi-Organ-Chips können Sicherheit und Wirksamkeit von neuen Wirkstoffkandidaten getestet werden.“ Dr. Uwe Marx, CEO Tissuse GmbH & Institut für Biotechnologie, Fachgebiet Medizinische Biotechnologie der TU Berlin
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„ Auf Basis der Multi-Organ-Chips können Sicherheit und Wirksamkeit von neuen Wirkstoffkandidaten getestet werden.“ Dr. Uwe Marx, CEO Tissuse GmbH & Institut für Biotechnologie, Fachgebiet Medizinische Biotechnologie der TU Berlin (Bild: TU Berlin)

Tierversuche sind aufwändig, umstritten und nur begrenzt aussagekräftig. Eine neue Chip-Technologie will nun echte Alternativen schaffen. LABORPRAXIS sprach mit Dr. Uwe Marx, einem der Forscher hinter dem Projekt über die Vorteile seiner Lösung.

LABORPRAXIS:Tierversuche sind teuer und können nur begrenzt Aussagen über die Wirkung von Substanzen auf den Menschen liefern. Forscher am Fachgebiet Medizinische Biotechnologie der TU Berlin haben Organstrukturen im Mikromaßstab entwickelt, die auf einem Chip Platz haben und auf Wirkstoffe wie echte Organe reagieren. Herr Dr. Marx, wie sind diese Chips aufgebaut, und was kann man mit ihnen bereits testen?

Dr. Uwe Marx: Ein gesamter Multi-Organ-Chip hat in etwa die Größe eines kleines Smartphones. Die Basis bildet ein mikroskopierbarer Glasobjektträger (76 x 26 cm), auf dem die in einem Polymer abgeformte Mikrofluidik liegt. Die darüber liegende Adapterplatte dient zur Aufnahme externer Anschlüsse sowie dem Zugang zu den Zell- bzw. Gewebekultureinheiten. Eine Besonderheit bildet die auf dem Chip integrierte Peristaltikpumpe. Durch Aktuierung von elastischen Membranen wird ein dem Herzschlag ähnlicher, pulsatiler Fluss im Chip erzeugt. Dadurch können physiologisch relevante Gewebe-Fluid-Verhältnisse besser simuliert werden. Die Steuerung der Pumpe sowie die mögliche Temperierung der Chips werden über eine Steuereinheit kontrolliert. Eine Steuereinheit kann bis zu vier Multi-Organ-Chips gleichzeitig betreiben. Die Technologie wurde in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer IWS, Dresden entwickelt. Zum jetzigen Zeitpunkt stehen ein Zwei-Organ-Chip (2-OC) sowie ein Vier-Organ-Chip (4-OC) für Testzwecke zur Verfügung. Ein Mini-Organismus-Chip (10+ Organe) befindet sich in der Entwicklung. Ein erster Prototyp wird voraussichtlich Mitte 2018 fertiggestellt. Die Multi-Organ-Plattform ist für die flexible Aufnahme von unterschiedlichsten Zell- und Gewebekulturmodellen konzipiert. Dadurch konnten im 2-OC bereits die unterschiedlichsten Organkombinationen (Leber + Haut, Leber + Neuronen, Darm + Leber, Haut + dendritische Zellen) realisiert und für Substanztestungen verwendet werden. Im 4-OC kombinieren wir Gewebekulturen von Darm, Leber, Haut und Niere. Dadurch ist es möglich die orale Applikation (z.B. Tabletten) zu emulieren. Die Wirkstoffe werden über den Darm adsorbiert und gelangen von dort in die Leber wo sie verstoffwechselt werden. Die entstandenen Metaboliten werden von dort zu den Organen transportiert und können zusätzlich über die Niere in einen „Urinkreislauf“ ausgeschieden werden. Auf Basis der bereits verfügbaren Chips werden zurzeit mit Kooperationspartnern auch erste Krankheitsmodelle entwickelt. Damit können sowohl die Sicherheit, als auch die Wirksamkeit von neuen Wirkstoffkandidaten getestet werden.

LABORPRAXIS: Welche Organe konnten bisher abgebildet werden? Welche Zielsetzungen sind noch geplant?

Dr. Marx: Bisher konnten Organmodelle für Leber, Darm, Niere, Haut, Haarfollikel und neuronale Kulturen erfolgreich über 28 Tage etabliert werden. Damit können Substanzen in wiederholter Beaufschlagung (z.B. 1x/Tag) über diesen Zeitraum getestet werden. Eine weitere Besonderheit stellt die Möglichkeit dar, die mikrofluidischen Kanäle vollständig mit Endothelzellen auszukleiden. Dadurch entsteht ein, den Blutgefäßen ähnlicher, Transportkreislauf. Ein weiteres Projekt beschäftigt sich mit der Modellierung eines Knorpel-Kochenmark-Modells auf dem Chip. Insbesondere im Hinblick auf den Mini-Organismus-Chip sind noch folgende weitere Organmodelle angedacht bzw. bereits in der Entwicklung: Lunge, Pankreas, Milz, Fettgewebe sowie Geschlechtsorgane.

LABORPRAXIS: Welche Vorteile bieten Multi-Organ-Chips gegenüber den herkömmlichen Tierversuchen?

Dr. Marx: Aufgrund der phylogenetischen Distanz zwischen Tier und Mensch können nicht alle Daten, die im Tierversuch erhoben werden, direkt auf den Menschen übertragen werden. Die Multi-Organ-Chip-Technologie bietet hier erstmals die Möglichkeit, Substanzen in einem humansystemischen Ansatz bereits in der präklinischen Phase, vor Exposition am Menschen zu testen. Dadurch können relevante aussagekräftige Daten zu Sicherheit und Wirksamkeit bereits sehr früh erfasst und für den Entscheidungsprozess zum Start von kostenintensiven klinischen Studien herangezogen werden. Mit der sich parallel sehr schnell entwickelnden iPS-Technologie wird es weiterhin möglich sein, die unterschiedlichen genetischen Ausprägungen in der Weltbevölkerung (z.B. verschiedene Enzymaktivität der Leber) nachzustellen. Damit sind theoretisch bereits in der Präklinik erste Patientenstratifizierungen sowie eine effizientere, parallele Entwicklung von Biomarkern möglich. In Kombination mit der iPS-Technologie ist in weiterer Zukunft ebenso eine Anwendung im Bereich der personalisierten Medizin realistisch.

Vielen Dank für das Gespräch Herr Dr. Marx.

Ergänzendes zum Thema
 
Zur Person: Dr. Uwe Marx

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