Für die Entwicklung eines neuen Medikamentes muss der Wirkstoff auch an Tieren getestet werden, bevor er in die klinische Erprobung geht. Eine neue Technologie macht Tierversuche zwar nicht überflüssig, aber verringert sie erheblich. Zudem verringert sie auch die Gefahren für die Patienten in der klinischen Erprobungsphase des Medikamentes. Forscher der Technischen Universität Berlin experimentieren dazu mit Miniatur-Laboren, die unter anderem vom Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik in Dresden entwickelt werden. Diese Labore stellen den menschlichen Körper und die Funktionen von Organen auf einem Objektträger dar.

 

 

Es klackt, ungefähr alle zwei Sekunden ein Mal.

Das Geräusch kommt aus einem Kasten, der so groß ist, dass etwa ein Laib Brot hineinpasst. Innen drin ist ein kleines Regal, mit einem eingeschobenen Objektträger, wie man ihn aus dem Chemieunterricht kennt. Winzige Kanäle durchziehen den Objektträger, der aus mehreren Schichten zusammengepresst ist.

Das Klackern ist so etwas wie ein Herzschlag, erklärt Frank Sonntag. Er ist Wissenschaftler am Fraunhofer-Institut in Dresden, und der Kasten mit dem klackenden Objektträger ist ein Mensch, zumindest ein klein wenig.

 

„Das ist also ein Mikrofluidik-System mit integrierter Mikropumpe, die das Herz nachbildet, mehreren Kanälen, die unsere Blutgefäße nachbilden und einzelnen Kammern, in denen unterschiedliche Zellen wachsen, die unseren Organen entsprechen sollen. Weil im normalen Körper sind ja auch mehrere Organe in einem gemeinsamem Kreislauf angeordnet.“ 

 

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Als Blut dient eine Nährflüssigkeit, die von einer kleinen Pumpe durch die Gefäße befördert wird, angetrieben durch Luftdruck

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Ein Multi-Organ-Chip, ein Modell des menschlichen Körpers. Als Blut wird eine Nährflüssigkeit verwendet, die von einer kleinen Pumpe durch die Gefäße befördert wird, angetrieben durch Luftdruck. Die einzelnen Organe sind aus Gewebematerial gewonnen oder gezüchtet worden.

Einmal Pumpen entspricht dem Herzschlag in dem Körper eines erwachsenen Menschen. Doch die Menge Nährflüssigkeit, die im Chip bewegt wird, ist weitaus kleiner als die Menge Blut im Menschen, erklärt Frank Sonntag.

 

„Das können Sie sich vorstellen wie zwei große Wassertropfen. Hintergrund ist, dass der Mensch im Verhältnis eins zu hunderttausend verkleinert abgebildet werden soll. So ein normaler Mensch hat nur sechs Liter Blut, also darf unsere Chip nur einhunderttausendstel dieser sechs Liter Blut enthalten.“

 

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Es geht nicht nur darum, Tierversuche zu ersetzen oder zu verringern. Es geht auch um Geld.

Mit dem Chip, den die Dresdener Werkstoffforscher entwickelt haben, experimentieren Wissenschaftler an der TU Berlin. Reyk Horland, Ingenieur mit dem Schwerpunkt Medizinische Biotechnologie, betont, dass es in der vorklinischen Phase der Medikamententests einen sehr hohen Bedarf an neuen Methoden gebe.

Dabei geht es aber nicht nur später in der darum, Tierversuche zu ersetzen oder zu verringern. Es geht auch um Geld. Denn derzeit kann das Zusammenspiel von Organen nur im Tierversuch oder sklinischen Erprobung an Patienten getestet werden. Dabei können aber unterschiedliche Ergebnisse herauskommen. Denn Tiere reagieren teilweise anders auf Substanzen als Menschen, sagt Horland.  „Und dadurch hat man vor allem Dingen dann, wenn es vor allem in die klinische Phasen der Medikamententwicklung geht, sehr sehr hohe Ausfallraten. Die bis zu 80 Prozent darstellen,
und dadurch sind die Medikamentenentwicklung sehr teuer, weil diese Ausfaller müssen mitgetragen werden als Kosten, und gleichzeitig dauert das.“

Die Leber ist das erste Organ, das die Forscher  auf dem Chip simuliert haben. Nahrungsbestandteile und Medikamente werden von ihr verstoffwechselt, also ab- und umgebaut, um so den Körper am Laufen zu halten.

„Und das ist ganz wichtig zu wissen, wie das funktioniert, was daraus gemacht wird, weil es kann durchaus sein, dass der ursprüngliche Stoff gar nicht giftig oder toxisch sein, aber das, was die Leber daraus herstellt. Das muss nicht zwangsläufig giftig für die Leberzellen sein, kann aber dann für ein anderes Organ giftig sein.“

Wie wirksam sind die Stoffe tatsächlich

Es geht dabei aber nicht nur um giftig oder nicht, sondern auch darum, ob und wie wirksam die Stoffe tatsächlich sind – und dies nicht im Tierversuch mit seinen unzuverlässigen Ergebnissen. 

„Da kann man testen, wenn ich jetzt eine Tablette oral zu mir nehme, wie dann der Wirkstoff über die Darmwand in das Blut gelangt, dann von dort zur Leber transportiert wird, in der Leber verstoffwechselt wird. Dann wie die toxische oder auch die Effizienzwirkung dieser Stoffe auf die Organe ist, die dort drauf sind, und dann in einem letzten Schritt wie die Niere die Stoffwechselprodukte in den Urin expertiert. Das ist auch wichtig, wie lange ist die Halbwertzeit dieser Stoffe, bevor sie wieder ausgeschieden werden.“

Der Schritt in die personalisierte Medizin

Ganz neu und ohne dass es dazu klinische Alternativen gäbe, ist ein Chip, der die Plazenta nachbildet. Mit ihm soll getestet werden, wie Medikamente, die Schwangere einnehmen, die Entwicklung des Kindes beeinflussen. 

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Genauso wie ein gesundes Organs in einem Chip modelliert werden kann, lassen sich in den Chips auch einzelne Krankheitsbilder einstellen.

„Mittel- bis langfristig ist das dann auch der Schritt in die personalisierte Medizin“sagt Horland.  „Wenn ich an meine Großeltern denke, da brauchen die Ärzte teilweise ein halbes Jahr, weil die einen dicken Medikamentencocktail bekommen, um dann diese Einstellung dann vorzunehmen, weil eigentlich fast gar nichts bekannt ist über die Wechselwirkung die die einzelnen Medikamente unter sich im Körper verursachen. Das könnte man dann auch auf dem Chip vorher testen.“

Allerdings müssten dazu mehr als vier Organe und ihr Zusammenspiel nachgebildet werden können. Biochemische Prozesse, Wirkungen, Rückwirkungen und Verweildauer der Stoffe, müssten so simuliert werden, dass sie der Funktionsweise des menschlichen Organismus´ möglichst ähnlich sind. Reyk Horland:

Wir arbeiten zur Zeit an einem Human on a Chip-System mit zehn oder mehr Organen. Da glauben wir, dass wir den circa 2018 fertig haben werden. Und da sind wir auch der Überzeugung, dass der einen Großteil der Tierversuche ersetzen wird. Ich habe bewußt Großteil gesagt. Weil wir keinen denkenden und fühlenden Menschen auf dem Chip haben werden. D.h. also für die Beurteilung von kognitiven Fähigkeiten, wie Alzheimer oder Parkinson wichtig ist, kann man das nicht einsetzen. Bei Alzheimer könnte man nur schauen, ob sich die gebildeten Plugs in unserem kleinen Gehirn mit Medikamentengabe zurückbilden. Wir könnten nie bewusst testen, ob dann auch dadurch kognitive Fähigkeiten wieder hergestellt werden, weil der Chip nicht fühlen und nicht denken kann. Weil dann wäre er auch ein ganz schlechter Ersatz für Tierversuche.“

 

Die ausführlichen Audios

Die ausführlichen Antworten der Interviewpartner Reyk Horland und Frank Sonntag.

Dr. Ing. Reyk Horland ist Wissenschaftlicher Mitarbeiter an der TU Berlin und in der Ausgründung TissUse GmbH.

 

Dr. Frank Sonntag koordiniert das Zentrum für Medizin- und Biosystemtechnik am Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik in Dresden.

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