Künstlicher Mini-Organismus: Wenn das Herz auf einem Chip schlägt

Interview mit Florian Schmieder und Udo Klotzbach, Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS

Den menschlichen Organismus im Miniformat nachbauen – Forscher vom Fraunhofer IWS trauten sich an diese Herausforderung. Sie entwickelten ein kompaktes System, in dem verschiedene physikalische Prozesse auf einem Chip nachgeahmt werden können. So ist es auch möglich, die Herz- oder Lungenfunktionen zu imitieren.

08.06.2015

Foto: Florian Schmieder

Florian Schmieder; © privat

Wie der künstliche Mini-Organismus in der medizinischen Forschung eingesetzt werden kann und welches Potenzial er noch bietet, erklären Florian Schmieder und Udo Klotzbach auf MEDICA.de.

Woraus besteht der künstliche Mini-Organismus, den Sie im Team entwickelt haben?

Florian Schmieder
: Unser künstlicher Mini-Organismus ist ein Zell-Kultivierungssystem, das aus mehreren Komponenten besteht. Diese sind aus Polymeren und Silikon aufgebaut. In das Lab-on-a-Chip-System können aktive Elemente eingebracht werden, wie zum Beispiel eine Mikropumpe, die – wie das Herz im menschlichen Körper – für die Medienzirkulation benötigt wird. Außerdem gehören auch Kanalstrukturen oder Zellkulturkammern dazu, in denen die kultivierten Zellen platziert werden. Wenn ein Gefäßschaden diagnostiziert wird, ist das Endothel meist irreparabel geschädigt. Bei Anwendung der gegenwärtigen Behandlungsmethoden werden Verengungen im Gefäß mechanisch aufgedehnt und mit Stents dauerhaft fixiert. Alternativ können die Ablagerungen chirurgisch entfernt werden, nachdem das Gefäß operativ eröffnet wurde. Beide Methoden führen jedoch zu einer weiteren Schädigung des Endothels, das sich von selbst nicht regenerieren kann. Die Grundidee unseres Projektes besteht darin, die ursprüngliche Anatomie des Gefäßes wiederherzustellen. Es handelt sich somit um eine regenerative Zellersatztherapie. Das bedeutet, dass neue Endothelzellen benötigt werden, die eine gute Zellfunktion aufweisen. Daher wollten wir Zellersatz und Gentherapie kombinieren: Zunächst wurden Endothelzellen in einer Petrischale kultiviert und ihre NO-Produktion durch eine Gentherapie mit Überexpression der endothelialen NO-Synthase (eNOS) erhöht. Zu diesem Zweck wurden Lentiviren als Genfähren verwendet, da mit ihrer Hilfe ein Gen dauerhaft in die Zelle eingeschleust werden kann. Die mittels Gentherapie behandelten Endothelzellen wurden dann für die Zellersatztherapie verwendet.
Foto: Udo Klotzbach

Udo Klotzbach; © privat

Udo Klotzbach: Wir vom Fraunhofer IWS entwickelten die funktionale Hülle für den künstlichen Mini-Organismus, also die Hard- und Software. Das Innenleben – die Bioware, wie ich es nenne – kommt von unseren Partnern aus Biologie und Medizin. Mit wenigen Zellen und Nährmedien stellen sie in dem Lab-on-a-Chip-System verschiedene physikalische Prozesse nach und wir passen den Chip gegebenenfalls den spezifischen Anforderungen der Anwender an.

Welche Prozesse des menschlichen Körpers können mit dem Modell nachgestellt werden?

Schmieder
: Die Zellen werden in die dafür erstellten Kammern des mikrofluidischen Systems hineingegeben und über die von außen angesteuerte, interne Mikropumpe perfundiert. Auf diese Weise können verschiedene Kreisläufe wie der Blutkreislauf oder auch das Harnsystem im Miniformat nachgeahmt werden. Auch die Funktion des Herzens kann imitiert werden: Die Mikropumpe kann die Frequenz und den Druck variieren und somit auch verschiedene Herzrhythmen simulieren. Darüber hinaus kann man Effekte wie Herzklappen-Insuffizienz oder Kammerflimmern nachstellen, indem man die Mikropumpe entsprechend ansteuert.

Außerdem können wir mit dem Chip die Funktion der Lunge imitieren: Über die in der Mikropumpe eingebaute Membran ist eine aktive Begasung des Mediums möglich. Ein sauerstoffgesättigtes Medium stellt sicher, dass die Zellen in einem physiologischen Zustand bleiben. Weiterhin kann man die Mikropumpe auch für ein Hypoxiemodell nutzen, indem man eine Unterversorgung mit Sauerstoff nachstellt.
Foto: Modell des Mini-Organismus

Auf dem Mini-Organ-Chip können Forscher zum Beispiel den Herzschlag imitieren. Mit dem System könnten Tierversuche in der Medizin- und Pharmaforschung reduziert werden; © Fraunhofer IWS

Das System bietet also große Vorteile für die medizinische Forschung. Wo wird der Chip bereits angewendet und welche Einsatzpotenziale sehen Sie noch?

Schmieder
: Wir haben eine Kooperation mit der Technischen Universität Berlin. Dort ist es den Forschern bereits gelungen bis zu vier Organe auf einem Chip gemeinsam zu kultivieren und damit Teile des menschlichen Organismus zu imitieren. Auch mit dem Universitätsklinikum in Dresden arbeiten wir zusammen. Hier ist der Schwerpunkt durch ein bestimmtes Modell der Niere, Nierenerkrankungen anstatt an Versuchstieren auf dem Chip zu untersuchen.

Klotzbach: Außerdem hat unser System ein großes Potenzial für die Kosmetik- und Pharmaindustrie. Derzeit noch werden Pharmaka und Kosmetika zunächst an Zellen und dann an Tieren getestet. Vom Gesetzgeber, also der EU, gibt es jedoch eine Verordnung, die besagt, dass perspektivisch keine Tierversuche mehr für die Kosmetik- oder Pharmaforschung durchgeführt werden dürfen. Das Ziel ist hier, mit solchen Systemen, die wir entwickeln, sehr nah an Tierversuche heranzukommen, um diese in Zukunft komplett zu ersetzen.
Foto: Michalina Chrzanowska; Copyright: B. Frommann

© B. Frommann

Das Interview führte Michalina Chrzanowska. 
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