Mikrophysiologische Systeme

Künstliche Organe könnten Tierversuche ersetzen

| Redakteur: Katharina Juschkat

Laut Statista wurden allein 2015 2,8 Millionen Tiere für Tierversuche in Deutschland verwendet.
Laut Statista wurden allein 2015 2,8 Millionen Tiere für Tierversuche in Deutschland verwendet. (Bild: gemeinfrei)

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Bei der Entwicklung neuer Medikamente werden bis heute standardmäßig Tierversuche angewendet, obwohl diese Methode nicht nur ethisch in der Kritik steht, sondern auch die Wirksamkeit umstritten ist. Jetzt haben Forscher mikrophysiologische Systeme entwickelt, die den menschlichen Körper nachahmen und Tierversuche überflüssig machen sollen.

Aus vielen guten Gründen sind Tierversuche bereits seit längerer Zeit äußerst umstritten. Dies liegt einerseits an der ethischen Fragwürdigkeit der Versuche an sich, andererseits haben sich in vielen wissenschaftlichen Studien deutliche Defizite bei der Übertragung der Ergebnisse auf den Menschen gezeigt. Schwerwiegende Nebenwirkungen bei klinischen Studien am Menschen sind dann die Folge.

Alternative Technologien, die die komplexen Prozesse bei der Aufnahme, Verteilung und Wirkung von Medikamenten oder Kosmetika im menschlichen Körper vorhersagen könnten, sind deshalb natürlich wünschenswert. Forscher des Fraunhofer Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS haben jetzt eine vielversprechende Alternative entwickelt – mikrophysiologische Systeme, mit denen Organe und Organsysteme „nachgebaut“ werden. Komplexe Mechanismen des menschlichen Körpers sind laut dem Institut damit realitätsnah analysierbar.

Biologische Mechanismen des Körpers nachbilden

Frank Sonntag vom Fraunhofer IWS arbeitet seit 2010 an einer den Systemen: „Die hier entwickelten mikrophysiologischen Systeme sind miniaturisierte Zellkultursysteme in der Größe einer Visitenkarte, die pharmakologisch relevante Funktionsmechanismen des menschlichen Körpers nachbilden. Dazu zählen neben der Verteilung von Substanzen über ein Gefäßnetzwerk das mikrophysiologische Milieu der Körperzellen und die Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Zelltypen.“ Damit sollen die biochemischen und zellulären Abläufe der Organe des menschlichen Körpers nachgestellt werden. Das sei notwendig, erklärt Sonntag weiter, um komplizierte pharmazeutische Tests, die derzeit in Tierversuchen stattfinden, zu ersetzen.

Konkret ahmen die Forscher durch die gemeinsame Kultivierung mehrerer menschlicher Zelltypen im mikrophysiologischen System die Funktion von Organen oder Organteilen nach. Wie auch im menschlichen Körper benötigen verschiedene Zelltypen unterschiedliche Bedingungen um ihren spezifischen Funktionen nachzukommen. Die Aufgabe der Entwickler ist es, maßgeschneiderte mikrophysiologische Systeme für verschiedene Organe auf dem Chip zu entwickeln und somit zur Reduktion von Tierversuchen beizutragen.

Miniaturisierte Pumpe als künstliches Herz

Heiz- und Kühlelemente sorgen in den Systemen für wichtige Körperfunktionen wie die konstante Regelung der Temperatur auf 37 °C. Das Besondere an den Systemen ist eine miniaturisierte Pumpe, die dem menschlichen Herz nachempfunden ist. Angetrieben durch einen speziellen Controller lässt sie blutähnliches Zellkulturmedium im künstlichen Gefäßnetzwerk zirkulieren und soll so für die optimale Versorgung der Zellen mit Sauerstoff und Nährstoffen sorgen. Die Größe des Gefäßnetzwerkes berechnen die Forscher mithilfe mathematischer Modelle.

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Mathias Busek schreibt derzeit seine Doktorarbeit am Fraunhofer IWS und entwickelt Strömungsmodelle mikrophysiologischer Systeme. „Mithilfe der Simulation der Strömung und des Nährstofftransports im mikrofluidischen Gefäßnetzwerk können wir die kultivierten Zellen bedarfsgerecht versorgen und damit organotypische Funktionen ausbilden“, erklärt der Doktorand. „Mit Netzwerkmodellen können diese Berechnungen schnell und zuverlässig durchgeführt werden. Sie sind damit ein wertvolles Tool, um mikrophysiologische Systeme zu entwerfen und optimieren.“

Krankheitsprozesse ohne Labormäuse nachstellen

Angewendet werden die entwickelten mikrophysiologischen Systeme bei Partnern in der Forschung und Industrie. Die Applikationen reichen dabei von einzelnen Organstrukturen in einem mikrophysiologischen System bis zu vielen Organen auf einem „Multi-Organ-Chip“. Am Universitätsklinikum in Dresden haben Jan Sradnick und Deborah Förster gemeinsam mit Florian Schmieder vom Fraunhofer IWS ein mikrophysiologisches Modell der Nierenkapillaren entwickelt. Damit lassen sich wichtige Krankheitsprozesse der Niere ohne den Einsatz von Labormäusen nachstellen und somit Tierversuche in der Grundlagenforschung reduzieren. Derzeit entwickeln die Forscher ein komplettes zelluläres Modell der Niere.

Die mikrophysiologischen Systeme dafür werden am Fraunhofer IWS von Florian Schmieder entworfen. „Damit wir in Zukunft nicht nur Teilprozesse sondern die komplette Niere im mikrophysiologischen System untersuchen können, entwickeln wir derzeit ein Modell, das alle funktionalen Teile der Niere auf Zellebene nachstellt“, erklärt der Wissenschaftler. Aktuell ist die Untersuchung von Nierenerkrankungen die wichtigste Anwendung, doch in Zukunft ist sogar noch mehr denkbar: „Solche künstlichen Organe können durch den Einsatz patienteneigener Zellen in Zukunft auch als künstlicher Nierenersatz zum Einsatz kommen. Das wäre eine echte Alternative zur Dialyse und zu Spenderorganen und würde maßgeblich die Lebenssituation vieler Patienten verbessern.“

Paradigmenwechsel zur tierversuchsfreien Forschung

Auch wenn die Systeme bereits helfen, komplexe biomedizinische Fragestellungen zu beantworten, bedarf es noch umfangreicher Forschungsarbeiten, bis die Vision von der künstlichen Niere und einem nachhaltigen Wechsel zu tierversuchsfreier Forschung Wirklichkeit wird. Die niederländische Regierung hat im Dezember 2016 ein umfangreiches Strategiepapier vorgestellt und damit einen rechtlichen, gesellschaftlichen und finanziellen Rahmen zur Entwicklung von Tierersatzmodellen bis 2025 geschaffen. Die Fraunhofer-Forscher hoffen, dass auch in Deutschland zeitnah ein solch umfassender Paradigmenwechsel einsetzt. Nur so können Visionen wie die tierversuchsfreie Forschung und die Erzeugung künstlicher Organe Realität werden. (kj)

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