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Medikamentensicherheit Der Mutterleib im Chip-Format

Autor / Redakteur: Fabio Bergamin* / Christian Lüttmann

Ob ein Medikament sicher ist, wird vorher ausführlich getestet. Dabei ist auch wichtig, ob es für ein ungeborenes Kind während einer Schwangerschaft unschädlich ist. Um das zu prüfen, haben Forscher der ETH-Zürich nun einen Mikrofluidik-Chip mit einer Art Miniplazenta entwickelt. Dies stellt die tatsächlichen Bedingungen im Mutterleib besser dar und soll zudem den notwendigen Einsatz von Tierversuchen verringern.

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Chip, in dem embryonales Gewebe in hängenden Nährmedium-​Tropfen (grün gefärbt) kultiviert wird (von unten fotografiert). In der blauen Fläche in der Bildmitte werden Plazentazellen kultiviert.
Chip, in dem embryonales Gewebe in hängenden Nährmedium-​Tropfen (grün gefärbt) kultiviert wird (von unten fotografiert). In der blauen Fläche in der Bildmitte werden Plazentazellen kultiviert.
(Bild: ETH Zürich / Julia Boos)

Zürich/Schweiz – Medikamente sollen nicht nur sicher sein für die Patienten, sondern im Falle einer Schwangerschaft auch für das ungeborene Kind im Mutterleib. Bereits in einem frühen Stadium der Entwicklung neuer Medikamente werden Wirkstoffe daher in der Petrischale mit embryonalen Stammzellen aus Zelllinien von Mäusen getestet. Damit will man vermeiden, dass eine embryoschädigende Wirkung erst später bei Tierversuchen an trächtigen Mäusen auffällt.

Allerdings vereinfachen diese bisherigen Zellkulturtests stark, was sich im Mutterleib abspielt: Forscher geben die Testsubstanz lediglich in eine Kultur von embryonalen Stammzellen. Dadurch entdecken sie zwar Stoffe, die embryonale Zellen direkt schädigen. Im Körper einer schwangeren Frau aber werden Arzneistoffe mitunter auch vom Stoffwechsel verändert und gelangen über das Blut und die Plazenta in den Blutkreislauf des Embryos. Stoffe, welche dem Embryo indirekt schaden – z. B. weil sie die Funktion der Plazenta beeinträchtigen oder in dieser Stressreaktionen auslösen – werden jedoch in bisherigen Zellkultur-Standardtests nicht entdeckt.

Planzenta auf dem Chip – neuer Test zur Embryotoxizität

Forscher der ETH Zürich haben nun einen Labortest entwickelt, welcher die Rolle der Plazenta beim Abschätzen der Embryotoxizität miteinbezieht. Dazu nutzen sie einen selbst entwickelten Chip mit mehreren Kompartimenten, die durch winzige Kanäle miteinander verbunden sind. Darauf kombinierten die Wissenschaftler jeweils aus Zelllinien gewonnene menschliche Plazentazellen mit kleinen Gewebekügelchen aus embryonalen Stammzellen von Mäusen (Embryoid Bodies), welche die frühe Embryonalentwicklung widerspiegeln. Zu testende Substanzen müssen bei dieser Anordnung also zunächst eine Schicht Plazentazellen durchdringen und gelangen erst danach zu den Embryonalzellen – ähnlich wie es auch im Mutterleib der Fall ist.

Lebensfähige Embryonen entstehen bei diesen Versuchen übrigens nicht. Die Embryonalzellen aus Zelllinien machen lediglich zehn Tage lang die allerersten Schritte der Embryonalentwicklung durch.

Indirekte Schädigung erkennen

Um die Funktion des neuen Tests zu demonstrieren, nutzten die Forscher Mikropartikel. Wen diese Partikel direkt mit den freiliegenden Embryo-Zellkügelchen in Kontakt kamen, schadeten sie diesen nicht. Waren die Embryonalzellen jedoch von den Plazentazellen umschlossen, beobachteten die Wissenschaftler eine mögliche indirekte schädliche Wirkung: Obwohl die Plazentazellen die Mikropartikel sogar von den Embryozellen fernhielten, waren die Embryozellen bei diesem Versuch geschwächt.

Als nächstes möchten die Forscher ihr System im Hinblick auf besser geeignete Plastikmaterialien weiterentwickeln. Denkbar ist außerdem, für die so genannten Embryoid Bodies in Zukunft menschliche Stammzelllinien zu verwenden statt solche von der Maus. „Insbesondere in der Embryonalentwicklung und den Vorgängen in der Plazenta gibt es wesentliche Unterschiede zwischen Versuchstieren und dem Menschen“, erklärt Julia Boos, Erstautorin der Studie. „Die Plazenta ist das Organ, bei dem Spezies-Unterschiede am stärksten ausgeprägt sind.“

Ziel ist, einen neuen Test zu entwickeln, den auch die Pharmaindustrie einfach anwenden kann. Indem embryoschädigende Stoffe bei der Entwicklung von Medikamenten frühzeitig erkannt und ausgeschlossen werden, müssen anschließend weniger Stoffe in Tierversuchen getestet werden. Dies hilft, die Zahl an Tierversuchen zu reduzieren.

Originalpublikation: Boos JA, Misun PM, Brunoldi G, Furer LA, Aengenheister L, Modena M, Rousset M, Buerki-Thurnherr T, Hierlemann A: Microfluidic co-culture platform to recapitulate the maternal-placental-embryonic axis. Advanced Biology, 19. Juni 2021, DOI: 10.1002/adbi.202100609

* F. Bergamin, ETH Zürich, 8092 Zürich/Schweiz

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