Dem Chip das Sehen beibringen
Organs-on-a-Chip haben das Potenzial, die Arzneimittelentwicklung zu
revolutionieren. Forscherinnen und Forschern am Fraunhofer-Institut für
Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB ist es gelungen, verschiedene
Gewebe auf Chips zu bringen. Der jüngste Clou: die Nachbildung
menschlicher Netzhaut als Retina-Organoid. Im nächsten Schritt will das
Forscherteam mit der Organ-on-a-Chip-Technologie die
geschlechterspezifische Medizin erschließen.
Organ-on-a-chip-Systeme stellen eine große Bereicherung für die
medizinische Forschung dar: An Gewebekulturen in den Kammern eines
Kunststoffchips können Wirkstoffe getestet, Krankheitsursachen und
Therapieansätze erforscht werden. Im Innern der briefmarkenkleinen
Polymermodule werden winzige Gewebe und Organoide über Mikrokanäle von
einer Nährflüssigkeit am Leben gehalten. Die Systeme bieten eine
Alternative zu Tierversuchen (siehe Kurzinterview).
In dieser Technik gibt es mittlerweile eine breite Palette: Herzmuskel und
Leber, Niere und sogar Hirngewebe. Zu den Organ-on-a-Chip-Pionieren in
Europa zählt die Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Peter Loskill am Fraunhofer-
Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB in Stuttgart. Dem
Team ist es als bisher einzigem gelungen, unter anderem menschliches
Fettgewebe und die Netzhaut des Auges in einem Chip nachzubilden. Nachdem
es geglückt ist, die verschiedensten Gewebe auf Chips zu bringen, gilt es
nun, den Durchsatz der zu testenden Substanzen zu erhöhen. Die Zukunft
sind »Organ-on-a-Disc« – mit hunderten menschlichen Gewebeteilchen auf
einer handlichen Scheibe. Sie können der Technologie zum Durchbruch im
Routineeinsatz verhelfen.
Retina-on-a-Chip
Aktuell ist »Retina-on-a-Chip« eines der Highlights in Loskills Labor –
mit dem komplex aufgebauten Gewebe der menschlichen Netzhaut als Organoid.
Dr. Loskill und sein Team sind gerade dabei, der Retina auf dem Chip das
Sehen beizubringen. Gemeinsam mit ihren Kooperationspartnern an der
Universität Tübingen ist es ihnen gelungen, Stammzellen so zu
differenzieren und in die Chips zu integrieren, dass sie ein
mehrschichtiges Gewebe ausbilden. Es besteht unter anderem aus den
lichtempfindlichen Stäbchen und Zapfen, dem Pigmentepithel und
Ganglionzellen, die den optischen Nerv bilden. »Wenn wir die Retina
belichten, messen wir in den Stäbchen und Zapfen ein
elektrophysiologisches Signal«, erklärt Peter Loskill. »Jetzt arbeiten wir
an einem System, mit dem wir dieses Signal quantitativ auslesen können.«
Erkrankungen der Netzhaut erforschen
Sobald dies existiert, wird gemessen werden können, wie stark eine
Substanz das »Sehvermögen« der Retina auf dem Chip beeinflusst. »Die
Pharmaindustrie hat großes Interesse an der Retina-on-a-Chip«,
verdeutlicht Loskill. »Denn viele Arzneistoffe können Nebenwirkungen an
der Retina verursachen.« Modellsysteme sind bislang rar. Und Tiermodelle
sind nur begrenzt einsetzbar, da die Netzhaut von Tieren anders aufgebaut
ist als die des Menschen. Gleichzeitig eignet sich der Chip dazu,
Erkrankungen der Netzhaut zu erforschen und Medikamente zu entwickeln, zum
Beispiel gegen die altersbedingte Makuladegeneration oder gegen die
diabetische Retinopathie.
Die Rolle des Fettgewebes entschlüsseln
Medizinisch noch relevanter sind die Chips mit weißem Fettgewebe.
Angelehnt an die englische Bezeichnung »White Adipose Tissue« werden die
Systeme »WAT-on-a-Chip« genannt. Das Fettgewebe ist allein schon seiner
Masse wegen bedeutsam. Ein Viertel des Körpers eines gesunden Menschen
besteht aus Fettgewebe. Bei adipösen Menschen macht es bis zur Hälfte des
Gewichts aus. Erst in jüngerer Zeit wurde deutlich, dass das Fettgewebe
viele Hormone und andere Botenstoffe in den Blutkreislauf ausschüttet.
Vieles ist hier noch unverstanden. Die »WAT-on-a-Chip«-Systeme können
helfen, die Rolle des Fettgewebes im Körper besser zu verstehen und damit
verbundene Erkrankungen, wie zum Beispiel Diabetes, gezielter zu
therapieren. Außerdem lässt sich auf dem Chip verfolgen, wie Stoffe in die
Fettzellen eingelagert werden und ob sich Pflanzenschutzmittel oder auch
Mikroplasik im Fettgewebe anreichern.
Forschen für die geschlechterspezifische Medizin
Mit den »Organ-on-a-Chip«-Systemen will Peter Loskill ein weiteres
Forschungsfeld erschließen: geschlechtsspezifische Medizin. »Viele
Krankheiten zeigen bei Frauen und Männern unterschiedliche Ausprägung«,
betont er. »Dieser Aspekt wird in der medizinischen Forschung und
Arzneimittelentwicklung viel zu wenig berücksichtigt.« Die »Organ-
on-a-Chip« bieten die Möglichkeit, Gewebe von Männern und Frauen getrennt
zu untersuchen. Auf dem Chip kann man auch die Dynamik des weiblichen
Hormonzyklus simulieren und beobachten, welchen Einfluss er auf eine
Erkrankung und potenzielle Medikamente hat.
