Fettleibigkeit außerhalb des Körpers erforschen mit Adipositas-on-a-Chip

Adipositas ohne Tierversuche außerhalb des menschlichen Körpers erforschen? Das Modellsystem Adipositas-on-a-Chip könnte zukünftig einen Lösungsansatz bieten, um die verschiedenen Folge- und Begleiterkrankungen besser zu verstehen.

Im Interview mit MEDICA.de erklärt Prof. Peter Loskill, wie Adipositas-on-a-Chip die Erforschung von Fettleibigkeit voranbringen kann.

Wie funktioniert Adipositas-on-a-Chip?

Prof. Peter Loskill: Adipositas-on-a-Chip beinhaltet zum einen eine mikrophysiologische Plattform. Das ist ein Polymermodul, welches mikrofluidische Kanäle und Kammern beinhaltet und so die Mikroumgebung des Fettgewebes nachbildet, inklusive der Blutgefäßperfusion. Auf diesen Modulen wird dann Fettgewebe aufgebaut. Das Fettgewebe wird durch Patientenbiopsien, zum Beispiel Fettabsaugungen, gewonnen und die Zellen isoliert in die Systeme integriert. Das Gewebe wird außerhalb des Körpers kultiviert und im Anschluss auf Reaktionen auf Stimuli und Medikamente untersucht. So können Experimente zum Verständnis des Fettgewebes durchgeführt und die damit verbunden Krankheiten erforscht werden.

Adipositas-on-a-Chip kann im Prinzip als ein Modellsystem des menschlichen Organs verwendet werden. So können wir Fragen nachgehen wie: Was passiert, wenn man das Fettgewebe in einen Krankheitszustand bringt? Welchen Einfluss hat das Fettgewebe auf andere Organe und wie wirken Medikamente auf das Fettgewebe? Kann man das Fettgewebe beeinflussen? Oder auch: Welche Nebenwirkungen haben Medikamente, die eigentlich für andere Organe oder Krankheiten gedacht sind?

Was unterscheidet das neue Mix-und-Match-System von anderen Organ-on-a-Chip-Systemen?

Loskill: Im Bereich Organ-on-a-Chip gibt es bereits vielfältige Systeme. Für das spezifische Forschungsfeld des Fettgewebes gibt es allerdings bisher fast keine Modelle. Wir haben in den letzten Jahren schon einzelne Systeme vorgestellt, dieses neue System bildet die Weiterentwicklung davon. Damit können wir nun alle zellulären Komponenten des Fettgewebes nachbilden. Wir integrieren nicht nur die Fettzellen, die Adipozyten, sondern auch Stromazellen und stammzellähnliche Progenitorzellen. Die Immunzellen sind ein weiterer wichtigen Aspekt für die Fettgewebebiologie. Mit dem Mix-und-Match-System können wir auswählen, welche Zelltypen wir auf den Chip bringen und damit auch den Beitrag der einzelnen Zellarten zur Funktionalität des gesamten Gewebes untersuchen. So kann getestet werden, ob das Gewebe immer noch funktioniert, wenn wir verschiedene Zellen weglassen, oder was sich verändert, wenn bestimmte Zellen in einen Krankheitszustand gebracht werden.

Wie können verschiedene Aspekte der Adipositas-Erkrankung mit dem Chip simuliert werden?

Loskill: Eine Erkrankung mit Adipositas ist eine chronische Entzündung des Fettgewebes. Wir können durch die Integration der Immunzellen und der unterschiedlichen Zusammensetzung von Immunzellen diesen Entzündungszustand auf einem Chip nachbilden. Mit direkt von adipösen Patientinnen und Patienten entnommenem Gewebe kann auch direkt ein patientenspezifisches Krankheitssystem aufgebaut werden. Durch Simulationen mit dem Fettgewebe-Chip können wir den Adipositasphänotyp, dass durch Erbanlagen und Umwelteinflüsse geprägte Erscheinungsbild eines Organismus, erforschen.

Welche Rolle könnten die Chipsysteme in der medizinischen Forschung der Zukunft spielen?

Loskill: Organ-on-a-Chip-Systeme bieten die Möglichkeit, komplexere menschliche Biologie außerhalb des menschlichen Körpers nachzubilden. Klassischerweise müssten Tiermodelle verwenden werden, die ethisch problematisch sind und sich häufig sehr vom Menschen unterscheiden. Mit Organ-on-a-Chip-Systemen entsteht die Möglichkeit, experimentelle Studien an humanen Modellen durchzuführen, die nicht mit ethischen Problemen einhergehen.

Wichtig ist jedoch, dass es immer noch Entwicklungen sind, keine abgeschlossenen Forschungen. Es ist nicht so, dass aufgrund dieser Systeme morgen keine Tierversuche mehr notwendig sind. Es ist ein Prozess, der immer noch einiges an Entwicklungen benötigt, um diesen Punkt zu erreichen. Aber wir sind sehr optimistisch, dass wir in der Zukunft mit den Chips Tierversuche reduzieren können.

Loskill: Beim Fettgewebe gibt es die Adipositas-Forschung, die daran interessiert ist, was für Medikamente das Fettgewebe direkt angreifen. Aber es wird auch erforscht, welche Signale das Fettgewebe an andere Organe sendet und wie diese Signale unterbrochen oder verändert werden könnten. Gerade bei der Erforschung von Medikamenten geht es nicht nur darum, wie diese das Fettgewebe beeinflussen, sondern auch ob diese zum Beispiel intensiver im Fettgewebe gespeichert oder metabolisiert werden? Das ist nur eines von vielen Beispielen, welches die klinische oder akademische Forschung betrifft.

Wie können die Chips die personalisierte Medizin voranbringen?

Loskill: Organ-on-a-Chip-Systeme, und eben auch Adipositas-on-a-Chip, basieren auf mikroskaligen Systemen mit kleinen Volumina. Das heißt, wir bekommen von Patientinnen und Patienten eine Fettgewebeprobe und erhalten dadurch eine Vielzahl von Organ-on-a-Chip-Systemen, die spezifisch zu der einen Patientin oder dem einen Patienten passen. So können die individuellen Reaktionen auf Stimuli oder auch die Wirksamkeit von Medikament personalisiert getestet werden.