Forschung

Forscher speichern menschliche Organe auf Computerchips

Die Kombination von menschlichen Organ-Zellen auf Mikrochips erlaubt es Forschern, neue Medikamente an Organen zu testen. So kann auf Tierversuche ganz verzichtet werden. Das spart Milliarden an Forschungsgeldern.

TU-Wissenschaftler Dr. Uwe Marx mit dem Multi-Organ-Chip. Er arbeitet daran, einen kompletten menschlichen Organismus auf einem Mikrochip abzubilden. (Foto: © TU Berlin/PR/Phillipp Arnoldt)

TU-Wissenschaftler Dr. Uwe Marx mit dem Multi-Organ-Chip. Er arbeitet daran, einen kompletten menschlichen Organismus auf einem Mikrochip abzubilden. (Foto: © TU Berlin/PR/Phillipp Arnoldt)

Roland Lauster und sein Team vom TU-Fachgebiet Medizinische Biotechnologie entwickeln derzeit „Mensch auf dem Chip“-Plattformen, Organstrukturen im Mikromaßstab, die auf einem Chip Platz haben und auf Wirkstoffe wie echte Organe reagieren. So könnten Tierversuche ersetzt werden.

11,4 Millionen Tiere wurden laut EU-Statistik im Jahre 2011 in Forschung und Entwicklung eingesetzt, die meisten davon für Testungen. Doch nach wie vor bleibt die Aussagekraft von Tests am Tier für die Wirkung auf den Menschen begrenzt. Viele teure Experimente werden daher wieder abgebrochen.

„Wir hoffen, dass wir Versuche an mehreren Millionen Tieren jährlich allein in Deutschland überflüssig machen – und gleichzeitig die Entwicklungskosten von neuen Medikamenten, Kosmetika und Chemikalien erheblich senken können“, sagt Uwe Marx, Wissenschaftler aus dem Team und Geschäftsführer der TissUse GmbH. Marx erhielt den Tierschutzforschungspreis des Bundesministeriums für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) für seinen „Zwei-Organe-Chip“.

Der Chip ist eine zukunftsweisende Alternative zu Tierversuchen und nachfolgenden Tests an menschlichen Probanden. Die Forscher am Fachgebiet Medizinische Biotechnologie haben sich darauf spezialisiert, menschliche Organe und Organsysteme über lange Zeiten im Mikromaßstab zu züchten.

Dafür nutzen sie nur wenige lebende Zellen, zum Beispiel aus Leber, Gehirn, Haut, Niere oder Darm, die in organtypischer dreidimensionaler Anordnung jeweils die komplette Funktion des Organs in kleinerem Maßstab abbilden und simulieren. Marx ist bislang der Einsatz eines Zwei-Organe-Chips für mehrere unterschiedliche Langzeittestverfahren für Substanzen gelungen, die zur Anwendung am Menschen vorgesehen sind. Die organähnlichen Gewebestrukturen auf dem Chip sind miteinander durch blutgefäßähnliche Mikrokanäle verbunden.

„Das Ziel ist es, einen Mini-Organismus mit allen lebenswichtigen Organen abzubilden. Doch das ist noch Zukunftsmusik“, erklärt Uwe Marx. Aber auch mit dem Entwicklungsstand von heute können die Forscher bereits Tierversuche in großem Umfang ersetzen. „Die Mikroorgane im Chip liefern uns Ergebnisse, die die natürliche Reaktion menschlicher Organe zum Beispiel auf Nebenwirkungen von Medikamenten, Kosmetika, Chemikalien oder anderen Produkten in einzigartiger Weise, verlässlich vorhersagbar machen, sodass derartige Produkte gar nicht erst vorklinisch am Tier getestet werden müssen. Auch die nachfolgenden klinischen Tests an menschlichen Probanden könnten vielfach entfallen.

Animalische Organismen reagierten durchaus anders als menschliche. Durchschnittlich fielen immer noch neun von zehn Kandidaten für Medikamente, die die Sicherheits- und Wirksamkeitstestungen im Tier bestanden haben, dann in der klinischen Testung am Menschen durch. Es seien diese vielen Ausfälle, die zu hohen Entwicklungskosten führten. „Wir können mit unserem Chip also zwei Fliegen mit einer Klappe schlagen“, sagt Uwe Marx.

„Wir reduzieren das Leid von Abermillionen Tieren sowie die Anzahl der Versuchspersonen in klinischen Studien bei gleichzeitig sinkenden Entwicklungskosten.“ Um das Produkt erfolgreich zu vermarkten, haben die Wissenschaftler bereits im Jahr 2010 die „TissUse GmbH“ als Spin-off der TU Berlin gegründet, deren Geschäftsführer Uwe Marx ist.

„Die Entwicklung wurde durch eine Förderung aus dem ‚GO-Bio-Wettbewerb‘ des Bundesministeriums für Bildung und Forschung möglich, mit dem gründungsbereite Forscherteams in den Lebenswissenschaften unterstützt werden. Mit den ersten Produkten gehen wir nun aktiv in die Kommerzialisierungsphase“, erklärt Uwe Marx. Und diese Innovation bietet weiteres vielversprechendes Potenzial für die Berliner Gründerszene.

Weltweit suchen Forscher nach Möglichkeiten, menschliche Organe mit Computerchips zu verbinden. Ein Forscherteam von der University of Berkeley hat ein funktionsfähiges Netzwerk aus pulsierenden Herzmuskelzellen auf einem kleinen Silikon-Chip hat entwickelt. Mit diesem Hightech-Organ könnten zukünftig sehr viel effektiver Tests von Medikamenten durchgeführt werden, denn Tierversuche sind nicht nur ethisch umstritten, sondern oft auch medizinisch ungenau.

„Unser Chip ist nicht einfach nur ein simpler Nachbau von Zellen. Wir haben dieses komplexe System so designt, dass es absolut dynamisch ist. Es kopiert exakt, wie Gewebe in unseren Körpern verschiedenen Medikamenten- und Nährstoffen ausgesetzt ist“, erklärt Studienautor Anurag Mathur.

Gerade einmal 24 Stunden nach der Installation der Herzzellen begannen diese, von alleine zu schlagen. Das Tempo lag dabei in einer völlig normalen Rate zwischen 55 und 80 Schlägen pro Minute.

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