Adipositas-on-Chip – innovatives Modellsystem zur Erforschung von Fettleibigkeit
Adipositas kommt selten allein. Die krankhafte Fettleibigkeit geht oftmals
einher mit Erkrankungen wie Diabetes. Speziell das weiße Fettgewebe spielt
bei der Entstehung der Stoffwechselerkrankung eine zentrale Rolle.
Forschende des NMI Naturwissenschaftlichen und Medizinischen Instituts in
Reutlingen entwickelten nun in Kooperation mit der Medizinischen Fakultät
der Universität Tübingen und dem Fraunhofer-Institut IGB ein innovatives
Mix & Match Organ-on-Chip-Modell. Die in der Fachzeitschrift Advanced
Science veröffentlichten Forschungsergebnisse zeigen, wie sich mit dem
Chip verschiedenste Aspekte der Adipositas-Erkrankung individuell
simulieren lassen – ganze ohne Tierversuche.
Von der ersten Sekunde bis etwa zum 25. Lebensjahr – in dieser Zeitspanne
nimmt ein Mensch an Gewicht zu, entwickelt sich und wächst, bis er
schließlich sein endgültiges Körpergewicht erreicht hat. Dabei weiß unser
Körper stets, wann unser Hunger gestillt ist und alle notwendigen Stoffe
aufgenommen wurden. Als Folge tritt ein Sättigungsgefühl ein. Fehlt dieses
Signal oder wird es ignoriert, ist der Weg geebnet für eine sich
entwickelnde Adipositas. Nicht selten steckt aber auch eine Fehlernährung
hinter der krankhaften Fettleibigkeit.
Grundsätzlich ist die krankhafte Gewichtszunahme Risikofaktor für eine
Vielzahl von Erkrankungen. Neben Diabetes mellitus Typ 2, Herz-Kreislauf-
und neurologischen Erkrankungen begünstigt eine Adipositas mindestens 13
verschiedene Krebsarten. Die Folgen von Adipositas können gravierend sein
und sind deshalb ein nicht nur aktuelles, sondern auch sehr wichtiges
Forschungsgebiet.
Ein Blick ins Fettgewebe
Fettgewebe lässt sich in verschiedene Typen unterteilen, weißes,
braun/beiges und rosa Fettgewebe. Neben der Farbe unterscheiden sich die
Gewebearten durch ihre einzigartige Zellzusammensetzung und Funktion.
Schaut man sich die Bestandteile des weißen Fettgewebes genauer an, so
lassen sich hier die Spezialisten des Fettstoffwechsels, die weißen
Fettzellen, finden. Sie kümmern sich um Fetteinlagerungen – also die
Energiereserven – und beeinflussen den Energiestoffwechsel durch
Hormonausschüttungen. Des Weiteren lassen sich im weißen Fettgewebe eine
Vielzahl von Immunzellen finden. Kommt es zu einer Überernährung,
vermehren sich die Fettzellen, werden größer und lösen eine Kaskade von
Entzündungsprozessen aus.
Fettgewebe in der Forschung
Die Wissenschaft beschäftigt sich seit geraumer Zeit mit Ursachen und
Therapiemöglichkeiten von Adipositas, eine optimale Versuchsplattform mit
einer validen Vorhersagekraft wurde bislang nicht entwickelt.
Gesundheitsrisiken für Patient*innen machen die direkte Forschung am
Menschen unmöglich. Viele Wissenschaftler*innen vertrauten demnach auf
Tierversuche, um die pathophysiologischen Mechanismen hinter der Krankheit
besser zu verstehen. Die geringe Übertragbarkeit der Ergebnisse vom Tier
auf den Menschen schränkt allerdings die Aussagekraft der Tierversuche
stark ein.
Es bleibt der Blick in die Petrischale. Welche Möglichkeiten bieten
Zellkulturen?
Die Arbeitsgruppe um Prof. Dr. Peter Loskill, Gruppenleiter am NMI und
Brückenprofessor an der Medizinischen Fakultät der Universität Tübingen,
der von 2016 bis 2021 die Attract-Gruppe Organ-on-a-Chip am Fraunhofer IGB
leitete, entwickelt maßgeschneiderte Organ-on-Chip-Technologien. Diese
speziellen Chips integrieren lebende Substrukturen von Organen in eine
kontrollierte Mikroumgebung. Die Chips bestehen aus kleinen
dreidimensionalen Kammern und Kanälen im Mikrometermaßstab und bilden die
Funktionalität oder Krankheit eines Organs ab. Erste Systeme der
Arbeitsgruppe konnten lediglich Fettzellen kultivieren. Das neue
innovative Mix & Match System integriert darüber hinaus alle wichtigen
zellulären Komponenten, die sich auch im menschlichen weißen Fettgewebe
wiederfinden lassen.
„Der Adipositas-Chip der nächsten Generation zeichnet sich durch seine
hohe Flexibilität und Modularität aus. Neben der Energiespeicherung und
-mobilisierung lassen sich mit dem Chip ebenso die fettgewebsspezifische
Hormonausschüttung simulieren und verschiedenste Entzündungsprozesse mit
einbeziehen. Dieser multidimensionale Ansatz ist bislang einzigartig!“,
betont Prof. Loskill.
Zukünftig bietet das neuartige System Wissenschaftler*innen eine humane
Alternative zur Durchführung von Tierversuchen. Dadurch könnte nicht nur
die Fettstoffwechsel-Forschung und die Medikamentenentwicklung von der
neuen Testplattform profitieren, sondern auch die personalisierte Medizin
vorangetrieben werden.
Die Forschung wurde unter anderem gefördert durch die Fraunhofer-internen
Programme Talenta Start und Attract (601543), durch das Bundesministerium
für Bildung und Forschung (BMBF; 031L0247B) sowie durch das Forschungs-
und Innovationsprogramm Horizon 2020 der Europäischen Unionim Rahmen der
Marie Skłodowska-Curie-Finanzhilfeve
845147.
Publikation:
Rogal et al. (2022). Autologous human immunocompetent white adipose
tissue-on-chip. Advanced Science, 2104451,
https://doi.org/10.1002/advs.2
Über das NMI
Das NMI Naturwissenschaftliche und Medizinische Institut in Reutlingen ist
eine außeruniversitäre Forschungseinrichtung und betreibt
anwendungsorientierte Forschung an der Schnittstelle von Bio- und
Materialwissenschaften. Es verfügt über ein einmaliges, interdisziplinäres
Kompetenzspektrum für F&E- sowie Dienstleistungsangebote für regional und
international tätige Unternehmen. Dabei richtet sich das Institut
gleichermaßen an die Gesundheitswirtschaft sowie Industriebranchen mit
werkstofftechnischen und qualitätsorientierten Fragestellungen wie
Fahrzeug-, Maschinen- und Werkzeugbau.
Das Forschungsinstitut gliedert sich in drei Geschäftsbereiche, die durch
ein gemeinsames Leitbild miteinander verbunden sind: Die Suche nach
technischen Lösungen erfolgt stets nach höchsten wissenschaftlichen
Standards. Im Geschäftsfeld Pharma und Biotech unterstützt das NMI die
Entwicklung neuer Medikamente mit biochemischen, molekular- und
zellbiologischen Methoden. Der Bereich Biomedizin und
Materialwissenschaften erforscht und entwickelt Zukunftstechnologien wie
die personalisierte Medizin und Mikromedizin für neue diagnostische und
therapeutische Ansätze. Im Fokus des Dienstleistungsangebotes steht für
Kunden die Strukturierung und Funktionalisierung von Werkstoffen und deren
Oberflächen. Im Geschäftsfeld Analytik und Elektronenmikroskopie werden
analytische Fragestellungen beantwortet.
Über die Landesgrenzen hinaus ist das NMI für sein Inkubatorkonzept für
Existenzgründer mit bio- und materialwissenschaftlichem Hintergrund
bekannt.
www.nmi.de
Das NMI Naturwissenschaftliche und Medizinische Institut in Reutlingen
wird vom Ministerium für Wirtschaft, Arbeit und Tourismus des Landes
Baden-Württemberg unterstützt und ist Mitglied der Innovationsallianz
Baden-Württemberg, einem Zusammenschluss von 12 außeruniversitären und
wirtschaftsnahen Forschungsinstituten.
www.innbw.de
