Medizin Eine Pumpe soll Flüssigkeit durch die winzigen Blutgefäße auf dem Biochip strömen lassen

Sollten sie sich auszeichnen, könnten die Organoide künftig eine Art Vorstufe zu den gesetzlich vorgeschriebenen Tierversuchen darstellen: "Nur diejenigen Wirkstoffe, die sich im Organoid bewähren, würden tatsächlich im Tierversuch geprüft werden", sagt der Tiermediziner Marlon Schneider. Das allein würde die Anzahl der Experimente an Ratten und Mäusen drastisch reduzieren.

Viele Forscher möchten aber noch mehr erreichen. Sie wollen mehr darüber wissen, wie eine Substanz auf verschiedene Organe wirkt und auf deren Zusammenspiel untereinander. Daher beginnen Wissenschaftler heute, die winzigen Gebilde im Labor miteinander zu verbinden. Der Biotechnologe Reiner Wimmer vom Institut für Molekulare Biotechnologie in Wien hatte im Januar im Fachblatt Nature über die ersten Miniblutgefäße aus dem Labor berichtet. Nun will er diese mit anderen Organoiden kombinieren. "Blutgefäße sind für die Instandhaltung aller unserer Organe essenziell, da sie unsere Zellen mit Sauerstoff und Nährstoffen versorgen oder auch Immunzellen transportieren", sagt Wimmer.

Dabei möchte er sich möglichst nahe an der menschlichen Entwicklung orientieren. Das Gehirn zum Beispiel entsteht in der Embryonalentwicklung anfänglich ohne Blutgefäße. Erst später sendet das Hirngewebe Botenstoffe aus, um Blutgefäße anzulocken. Die wandern dann von außen ins Hirngewebe ein. Diesen Prozess möchte Wimmer in der Kulturschale nachspielen, indem er seine Miniatur-Blutgefäße mit Minigehirnen verbindet. "Wir erwarten, dass die Gehirn-Organoide ähnliche Signale produzieren wie in der menschlichen Entwicklung", sagt Wimmer.

Medizin Ersatzteile aus dem Labor
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Ersatzteile aus dem Labor

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Der Biotechnologe möchte aber noch einen Schritt weiter gehen. Er wird sein Miniblutgefäß auf einen Biochip setzen, um es über Minipumpen mit Flüssigkeit zu durchströmen. So kann er unter sehr kontrollierten Bedingungen zum Beispiel herausfinden, wo und wann sich die Immunzellen bei einer Entzündungsreaktionen an die Gefäßwand heften. In Zukunft, da ist sich Wimmer sicher, werden Organoide und Organ-on-a-chip-Technologien miteinander verschmelzen.

Damit hat der Bioingenieur Peter Loskill bereits begonnen. Er arbeitet daran, Leberzellen und Fettgewebe miteinander zu kombinieren. Auch die Netzhaut und die Aderhaut des menschlichen Auges versucht er derzeit, auf einem Chip miteinander zu verbinden. "Wir wollen das Wachstum der Stammzellen und deren Entwicklung in Organoiden gezielt steuern", sagt Loskill. Im Gegensatz zum Labor spielen im menschlichen Körper bei der Organentwicklung nicht allein Wachstumsfaktoren eine Rolle, sondern auch Einflüsse des benachbarten Gewebes.

Erst dann können die Wissenschaftler verschiedene Szenarien im Körper exakt nachahmen. "Wenn wir die Prozesse im Organ genau kennen, dann können wir sie gezielt aus dem Gleichgewicht bringen, Krankheiten erforschen und Medikamente testen", sagt Loskill. Am Wyss-Institut in Boston etwa haben Forscher bereits ein Lungenmodell entwickelt, das nicht nur die Atmung in den Lungenbläschen simuliert. Selbst ein Lungenödem konnten sie in einem solchen Mikrochip auslösen und erfolgreich behandeln.

Die Firma TissUse in Berlin hat bereits 16 einzelne Organmodelle entwickelt, zum Teil direkt mit Zellen aus dem menschlichen Körper, zum Teil mit Zellverbänden, die weniger komplex sind als die klassischen Organoide. Chips mit maximal vier Gewebekombinationen sind bereits gelungen. Jedes Mal brauchen die Wissenschaftler zwei bis drei Monate, um ein Nährmedium zu finden, das allen Geweben der Kombination gut bekommt. "Ähnlich wie die Haut im Körper andere Bedürfnisse im Körper hat als die Leber, gilt das auch auf dem Mikrochip", sagt der Geschäftsführer der Firma, Uwe Marx.

Noch sind Tierversuche nötig. Doch die Firmen setzen die Chips bereits in Experimenten ein

Bald möchte Marx zehn Organsysteme miteinander kombinieren, darunter die Lunge, den Darm, die Niere, das Immunsystem. Dieser Human-on-a-chip, also Mensch auf dem Chip, wäre über einen künstlichen Kreislauf versorgt. Bislang können Bioingenieure in kleinen Kanälen der Mikrochips den Blutfluss der echten Organe simulieren.

Marx möchte aber auch die Kapillaren, haarfeine Blutgefäße, des menschlichen Körpers nachbauen, um die Verästelungen der Blutversorgung auf den Chips zu imitieren. "Geben Sie uns noch ein Jahr, dann sind wir soweit", sagt Marx. Längst arbeitet er mit der Pharmaindustrie zusammen, um auf deren Wunsch immer neue Verknüpfungen zu schaffen. Die Firmen setzen die Biochips dann für interne Experimente ein, für die Arzneimittelzulassung müssen sie bislang noch immer Experimente an Tieren nachweisen.

Bis zum Jahr 2030 könne man 70 Prozent aller Tierversuche durch Multi-Organchips ersetzen, glaubt Marx. Andere Kollegen wie Marlon Schneider vom BfR sind hingegen skeptisch. Im Jahr 2017 fanden allein 50 Prozent der Experimente an Versuchstieren in der Grundlagenforschung statt, ergab der aktuellste Bericht des Bundesministeriums für Ernährung und Landwirtschaft. Biochips sind aber bislang überwiegend für Tests zur Wirksamkeit gedacht oder zu möglichen Risiken von Medikamenten. "Für die Grundlagenforschung sind sie bislang weniger geeignet", sagt Schneider. Langfristig sieht der Tiermediziner durchaus ein enormes Potenzial der Chip-Technologien, doch seien sie noch nicht so weit. "Man kann Tierversuche nicht um jeden Preis ersetzen", sagt er. Schließlich gehe es um die Sicherheit der Patienten.

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