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Organs-on-a-Chip

Mikrochips mit Augen oder Fettgewebe

| Redakteur: Christian Lüttmann

Mithilfe von Organs-on-a-Chip können Forscher bereits zahlreiche Gewebe nachbilden und zum Beispiel Wirkstoffe daran testen. Dies erlaubt kontrollierte, reproduzierbare Experimente und senkt den Bedarf an Tierversuchen. Am Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik haben die Wissenschaftler nun erstmals menschliche Netzhaut als Retina-Organoid auf einem Chip nachgebildet.

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Ein Fettchip unter dem Mikroskop: Über die Spritze wird ein Wirkstoff eingebracht, um das Verhalten und die Reaktion zu untersuchen.
Ein Fettchip unter dem Mikroskop: Über die Spritze wird ein Wirkstoff eingebracht, um das Verhalten und die Reaktion zu untersuchen.
(Bild: Fraunhofer IGB)

Stuttgart – Organ-on-a-chip-Systeme stellen eine große Bereicherung für die medizinische Forschung dar: An Gewebekulturen in den Kammern eines Kunststoffchips können Wirkstoffe getestet, Krankheitsursachen erforscht und Therapieansätze erprobt werden. Im Innern der briefmarkenkleinen Polymermodule werden winzige Gewebe und Organoide über Mikrokanäle von einer Nährflüssigkeit am Leben gehalten.

Die Systeme bieten damit eine Alternative zu Tierversuchen. „Man wird Tierversuche zwar nicht eins zu eins ersetzen können. Mit den Chips ist aber eine Datenquelle dazu gekommen, die es ermöglichen wird, mit signifikant weniger Versuchstieren Sicherheit zu schaffen“, sagt Prof. Dr. Peter Loskill vom Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB in Stuttgart.

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Leber, Niere Herz – die Organpalette der Chips ist groß

Mittlerweile gibt es in dieser Technik eine breite Palette: Herzmuskel und Leber, Niere und sogar Hirngewebe. Die Arbeitsgruppe von Loskill zählt in Europa zu den Pionieren der Organ-on-a-Chip-Technologie. Dem Team ist es als bisher einzigem gelungen, unter anderem menschliches Fettgewebe und die Netzhaut des Auges in einem Chip nachzubilden. Nachdem es geglückt ist, die verschiedensten Gewebe auf Chips zu bringen, gilt es nun, den Durchsatz der zu testenden Substanzen zu erhöhen. Die Zukunft heißt „Organ-on-a-Disc“ – mit hunderten menschlichen Gewebeteilchen auf einer handlichen Scheibe. Dies könnte der Technologie zum Durchbruch im Routineeinsatz verhelfen.

Dem Chip das Sehen beibringen

Aktuell entwickelten und testen die Forscher eine künstliche Retina – mit dem komplex aufgebauten Gewebe der menschlichen Netzhaut als Organoid. Der Forscher und sein Team sind gerade dabei, der Retina auf dem Chip das Sehen beizubringen.

Gemeinsam mit ihren Kooperationspartnern an der Universität Tübingen ist es ihnen gelungen, Stammzellen so zu differenzieren und in die Chips zu integrieren, dass sie ein mehrschichtiges Gewebe ausbilden. Es besteht unter anderem aus den lichtempfindlichen Stäbchen und Zapfen, dem Pigmentepithel und Ganglionzellen, die den optischen Nerv bilden. „Wenn wir die Retina belichten, messen wir in den Stäbchen und Zapfen ein elektrophysiologisches Signal“, sagt Loskill. „Jetzt arbeiten wir an einem System, mit dem wir dieses Signal quantitativ auslesen können.“

Chips statt Tiermodelle

Wenn die Wissenschaftler eine quantitative Messmethode gefunden haben, können sie überprüfen, wie stark eine Substanz das „Sehvermögen“ der Retina auf dem Chip beeinflusst. „Die Pharmaindustrie hat großes Interesse an der Retina-on-a-Chip“, sagt Loskill. „Denn viele Arzneistoffe können Nebenwirkungen an der Retina verursachen.“ Modellsysteme sind bislang rar. Und Tiermodelle sind nur begrenzt einsetzbar, da die Netzhaut von Tieren anders aufgebaut ist als die des Menschen. Gleichzeitig eignet sich der Chip dazu, Erkrankungen der Netzhaut zu erforschen und Medikamente zu entwickeln, zum Beispiel gegen die altersbedingte Makuladegeneration oder gegen die diabetische Retinopathie.

Fettige Mikrolabore für die Medizinforschung

Medizinisch besonders relevant sind zudem die Chips mit weißem Fettgewebe. Angelehnt an die englische Bezeichnung „White Adipose Tissue“ werden die Systeme „WAT-on-a-Chip“ genannt. Das Fettgewebe ist allein schon seiner Masse wegen bedeutsam. Ein Viertel des Körpers eines gesunden Menschen besteht aus Fettgewebe. Bei adipösen Menschen macht es bis zur Hälfte des Gewichts aus.

Erst in jüngerer Zeit wurde deutlich, dass das Fettgewebe viele Hormone und andere Botenstoffe in den Blutkreislauf ausschüttet. Vieles ist hier noch unverstanden. Die „WAT-on-a-Chip“-Systeme können helfen, die Rolle des Fettgewebes im Körper besser zu verstehen und damit verbundene Erkrankungen, wie zum Beispiel Diabetes, gezielter zu therapieren. Außerdem lässt sich auf dem Chip verfolgen, wie Stoffe in die Fettzellen eingelagert werden und ob sich Pflanzenschutzmittel oder auch Mikroplastik im Fettgewebe anreichern.

Geschlechterspezifische Pharmatests erleichtern

In Zukunft will Loskill ein weiteres Forschungsfeld erschließen: geschlechtsspezifische Medizin. „Viele Krankheiten zeigen bei Frauen und Männern unterschiedliche Ausprägung. Dieser Aspekt wird in der medizinischen Forschung und Arzneimittelentwicklung viel zu wenig berücksichtigt.“ Die Organ-on-a-Chip-Systeme ermöglichen es, Gewebe von Männern und Frauen getrennt zu untersuchen. Auf dem Chip kann man auch die Dynamik des weiblichen Hormonzyklus simulieren und beobachten, welchen Einfluss er auf eine Erkrankung und bestimmte Medikamente hat.

Originalpublikation: Kevin Achberger, Christopher Probst, Jasmin Haderspeck, Silvia Bolz, Julia Rogal, Johanna Chuchuy, Marina Nikolova, Virginia Cora, Lena Antkowiak, Wadood Haq, Nian Shen, Katja Schenke-Layland, Marius Ueffing, Stefan Liebau Is a corresponding author , Peter Loskill: Merging organoid and organ-on-a-chip technology to generate complex multi-layer tissue models in a human Retina-on-a-Chip platform, eLife 2019;8:e46188; DOI: 10.7554/eLife.46188

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