Tierversuchsfreie Forschung und Entwicklung künstlicher Organe

Die Labormaus der Zukunft

Der vom Fraunhofer IWS entwickelte Organchip ist so aufgebaut, dass er die biologischen Vorgänge der Niere nachahmen kann. Wie rechts im Bild zu sehen, hat er aber gerade mal die Größe einer Visitenkarte.

Quelle: Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik

Tierversuche sind in der medizinischen Forschung bislang oft noch ein notwendiges Übel. Eine vielversprechende Alternative sind mikrophysiologische Systeme, in denen menschliche Organe „nachgebaut“ werden. Solche Mikrosysteme bietet das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS in Dresden an. Durch den Einsatz von Lasertechnik können sie Partnern aus Biologie und Medizin in kürzester Zeit maßgefertigt bereitgestellt werden. von Anja Speitel

Will man beispielsweise die biologische Sicherheit von Medizinprodukten nachweisen, sind Tierversuche häufig unumgänglich. Doch Bestrebung der Bundesregierung ist, Tierversuche auf ein unerlässliches Maß zu beschränken: Sie sind nicht nur ethisch fragwürdig; auch die Übertragbarkeit der Ergebnisse auf den Menschen zeigt Defizite. Um Tieren Leid zu ersparen und solidere Daten für die Humanmedizin zu gewinnen, wird weltweit intensiv an Ersatzmethoden geforscht. Eine davon sind Technologien, die biochemische und zelluläre Abläufe im menschlichen Körper nachstellen: „In Organ-on-Chip-Systemen wird mit menschlichen Zellen gearbeitet“, so Dr.-Ing. Frank Sonntag vom Fraunhofer IWS. „Daher können u.a. genauere Vorhersagen für Menschen verschiedener ethnischer Gruppen getroffen werden, als mit Tierversuchen. Die Bedingungen in den Zellkultursystemen sind dem menschlichen Organismus ähnlicher, als jene im Versuchstier.“

Technische Bauteile und menschliche Zellen

In dem Mini-System aus Schläuchen, Reservoiren, Ventilen, Sensoren und einem per Laser hergestelltem 3D-Scaffold lassen sich mehrere menschliche Zelltypen gemeinsam kultivieren und so Funktionen von Organen oder Organteilen nachbilden.

Quelle: Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik

Die am Fraunhofer IWS entwickelten mikrophysiologischen Systeme sind gerade mal so groß wie eine Visitenkarte: Darauf abgebildet ist, was man im menschlichen Körper findet, etwa Blutgefäße, Blut und Pumpsysteme – jedoch als technische Bauteile. In dem Mini-System aus Schläuchen, Reservoiren, Ventilen, Sensoren und einem per Laser hergestelltem 3D-Scaffold lassen sich mehrere menschliche Zelltypen gemeinsam kultivieren und so Funktionen von Organen oder Organteilen nachbilden. Um den Bedingungen im menschlichen Körper nachzukommen, sorgen beispielsweise Heiz- und Kühlelemente für eine konstante Temperatur von 37 °C. Eine miniaturisierte Pumpe lässt das blutähnliche Zellkulturmedium im künstlichen Gefäßnetzwerk zirkulieren, um die Zellen optimal mit Sauerstoff und Nährstoffen zu versorgen. So können die verschiedenen Zelltypen ihren spezifischen Funktionen, wie im Körper, nachkommen.

Einsatzgebiete von Grundlagenforschung bis Substanztestung

Die miniaturisierten Zellkultursysteme werden heute bereits in der medizinischen Grundlagenforschung eingesetzt, etwa um Regenerationsmechanismen menschlicher Zellen zu analysieren. Das zweite große Anwendungsfeld liegt in der Testung von Substanzen: „Biochemische und zelluläre Abläufe bei der Aufnahme, Verteilung, Umwandlung, Wirkung und Ausscheidung von Medikamenten oder Kosmetika im menschlichen Körper lassen sich auf unserer Technologie-Plattform abbilden“, sagt Sonntag.

Dr.-Ing. Frank Sonntag vom Fraunhofer IWS.

Quelle: Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik

Für die Medizintechnik eignen sich die mikrophysiologischen Systeme zur Testung eingesetzter Werkstoffe: „Wenn etwa neue Membranen in Medizinprodukten mit menschlichen Zellen in Kontakt kommen werden, können die Zellverträglichkeitstests mit unserer Plattform realisiert werden“, führt Sonntag als Beispiel an. Auch biohybride Medizinsysteme, die technische Produkte mit biologischen Komponenten wie menschlichen Zellen vereinen, lassen sich testen. Prof. Bernd Hohenstein, der am Dresdner Uniklinikum die Regeneration von Nierengewebe beforscht, hat z.B. schon mit den miniaturisierten Zellkultursystemen experimentiert. Ebenso ist das Forschungsinstitut für Leder- und Kunststoffbahnen Freiberg mit seiner Forschung an künstlichen Geweben ein Partner des Fraunhofer IWS. Die Applikationen für Forschung und Industrie reichen von einzelnen Organstrukturen in einem mikrophysiologischen System bis zu vielen Organen auf einem sogenannten Multi-Organ-Chip. „Im Design der Systeme sind wir durch den Einsatz von Lasertechnologie sehr flexibel“, erklärt Sonntag. „Die Anforderungen aus Biologie und Medizin lassen sich so besonders schnell umsetzen. Maßgeschneiderte mikrophysiologische Systeme können wir so binnen einer Woche herstellen.“ Dazu bietet das Fraunhofer IWS auch Automatisierungssysteme zur Durchführung der Versuche und Überwachung von Farmen dieser Systeme an.

Vision von Diagnose-System und künstlichen Organen

Die Wissenschaftler vom Fraunhofer IWS haben neben der Einsparung von Versuchstieren noch weitere große Visionen: „Unsere Motivation ist nicht, die Ersatzmaus zu schaffen“, sagt Sonntag. „Da man das System mit patienteneigenen Zellen besiedeln kann, ist seine Verwendung als Diagnose-Gerät eine große Chance: Prozesse krankhafter Veränderung lassen sich abbilden und die Wirkung von Therapien erforschen.“ Das sei gerade vor dem Hintergrund der zunehmenden Individualisierung der Medizin wichtig: „Wenn sie Medikamente personalisiert testen wollen, kommen sie mit Mäusen nicht weit“, gibt der Ingenieur zu bedenken.

Ein weiteres Ziel: Künstliche Organe zu erschaffen. Derzeit entwickelt Florian Schmieder, Bioverfahrenstechniker am Fraunhofer IWS, in einem interdisziplinären Projekt mit dem Uniklinikum Dresden ein Modell der Niere. „Wir können einzelne funktionale Teilprozesse der Niere schon recht gut nachahmen, müssen das Ganze aber noch in einem geschlossenen Kreislauf in Interaktion bringen. Gelingt es uns und setzt man dort dann patienteneigene Zellen ein, könnte dies in Zukunft als künstlicher Nierenersatz zum Einsatz kommen.“ Bis die Vision von der künstlichen Niere Wirklichkeit wird, bedarf es jedoch noch umfangreicher Forschung.

Mehr dazu im Internet:

Projekthomepage Fraunhofer IWS

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