La­bo­r­or­ga­ne im Klein­for­mat

Der Standard - - LEBEN - Chris­ti­an Wolf

An Mäu­sen ge­tes­tet, sind Wirk­stof­fe oft er­folg­rei­cher als in kli­ni­schen Stu­di­en mit Men­schen. For­scher sind da­her auf der Su­che nach Al­ter­na­ti­ven. Ei­ne da­von ist be­son­ders viel­ver­spre­chend: Or­ga­ne im Mi­ni­for­mat, an­ge­legt auf ei­nem Chip.

Im La­bor schei­nen For­scher die reins­ten Zau­be­rer zu sein. Näm­lich dann, wenn sie mit­hil­fe neu­er Wirk­stof­fe Er­kran­kun­gen an Tie­ren ku­rie­ren. Doch dann folgt der Rea­li­tät­scheck: Die viel­ver­spre­chen­den Wirk­stof­fe müs­sen in kli­ni­schen Stu­di­en zei­gen, ob sie sich auch beim Men­schen be­wäh­ren. Und da fällt die Bi­lanz we­ni­ger gut aus: Wirk­stof­fe, die im Tier­mo­dell top sind, er­wei­sen sich beim Men­schen viel­fach als Flop. Eif­rig su­chen For­scher da­her nach Al­ter­na­ti­ven. Ei­ne der­zeit heiß ge­han­del­te Me­tho­de sind Or­ga­ne im Mi­nia­tur­for­mat aus mensch­li­chen Zel­len, die sich auf ei­nem Chip be­fin­den.

Ein Pio­nier die­ser Tech­nik ist Do­nald Ing­ber, Grün­dungs­di­rek­tor des Wyss In­sti­tu­te for Bio­lo­gi­cal­ly In­spi­red En­gi­nee­ring an der Har­vard-Uni­ver­si­tät. Er ent­wi­ckel­te ei­nen Darm auf ei­nem Chip. Um das kom­ple­xe Or­gan rea­lis­tisch nach­zu­ah­men, lau­fen durch den Darm-Chip zwei nähna­del­dün­ne Ka­nä­le, die durch ei­ne we­ni­ge hun­derts­tel Mil­li­me­ter di­cke Mem­bran von­ein­an­der ge­trennt sind. In den bei­den Ka­nä­len be­fin­den sich mensch­li­che Zel­len un­ter­schied­li­chen Typs, auf der obe­ren Sei­te der Mem­bran Dar­mEpi­t­hel­zel­len und auf der un­te­ren En­do­thel­zel­len, wie sie in den Ge­fä­ßen vor­kom­men, die den Darm mit Blut ver­sor­gen. Über die bei­den Zell­schich­ten fließt ei­ne Flüs­sig­keit. So bil­det Ing­ber den Dar­min­halt und das Blut ab.

Um sie mög­lichst na­tur­ge­treu zu ma­chen, muss­te der For­scher in den Or­gan-Chips auch pe­ris­tal­ti­sche Be­we­gun­gen si­mu­lie­ren, de­nen der Darm aus­ge­setzt ist. Die Or­gan-Chips ver­fü­gen da­her seit­lich über Kam­mern, in die Luft ge­pumpt wird. Da­durch be­we­gen sich die Wän­de, deh­nen sich aus und zie­hen sich wie­der zu­sam­men. „Ing­bers Ver­dienst war es, die Epi­t­hel­zel­len me­cha­ni­schen Be­las­tun­gen aus­zu­set­zen“, sagt der Bio­tech­no­lo­ge Pe­ter Ertl von der TU Wi­en, der eben­falls an Or­gan-Chips forscht. So konn­te ge­zeigt wer­den, „dass die Zel­len sich erst un­ter der me­cha­ni­schen Be­las­tung so ver­hal­ten, wie es in ei­nem Or­gan wie dem Darm ty­pisch ist“. Erst dann bil­den Darm­zel­len klei­ne fin­ger­ar­ti­ge Fort­sät­ze aus, so­ge­nann­te Mi­kro­vi­li.

Ei­ne wei­te­re Er­run­gen­schaft ist, dass Ing­ber auf sei­nen Dar­mChips das Mi­kro­bi­om kul­ti­viert. Es ar­bei­tet un­ter an­de­rem an der Ver­dau­ung mit und spielt bei Er­kran­kun­gen ei­ne Rol­le. „Um den Darm rea­lis­tisch ab­zu­bil­den, muss man das Wech­sel­spiel zwi­schen Darm-Epi­t­hel­zel­len und Mi­kro­bi­om be­rück­sich­ti­gen“, er­klärt Ertl. Zu­dem be­ein­flusst das Mi­kro­bi­om das Ver­stoff­wech­seln von Wirk­stof­fen im Darm.

Tier ist nicht gleich Mensch

Das Pro­blem bei her­kömm­li­chen Tier­ver­su­chen ist: Das Mi­kro­bi­om von La­b­or­tie­ren un­ter­schei­det sich deut­lich von je­nem des Men­schen. In­so­fern über­rascht es nicht, dass Tier­stu­di­en oft­mals nicht aus­sa­ge­kräf­tig sind in Be­zug auf Wirk­sam­keit und To­xi­zi­tät von Wirk­stof­fen beim Men­schen. Darm-Chips mit mensch­li­chem Mi­kro­bi­om könn­ten künf­tig viel aus­sa­ge­kräf­ti­ge­re Er­geb­nis­se lie­fern.

Da­für konn­te Ing­ber schon ers­te Be­le­ge sam­meln. In ei­ner 2018 in der Fach­zeit­schrift Cell De­ath and Di­sea­se ver­öf­fent­lich­ten Stu­die un­ter­such­te er zu­sam­men mit Kol­le­gen die Aus­wir­kung von ra­dio­ak­ti­ver Strah­lung auf die Zel­len im Darm-Chip. Er­hält ein Krebs­pa­ti­ent ei­ne Be­hand­lung mit ei­ner sol­chen Strah­lung für ein be­stimm­tes Or­gan, sind da­von auch an­de­re Or­ga­ne be­trof­fen, in star­kem Ma­ße et­wa der Darm. Da­bei zie­hen sich un­ter an­de­rem die Fort­sät­ze der Darm-Epi­t­hel­zel­len zu­rück, was zu ei­ner schlech­ten Nähr­stoff­auf­nah­me führt, die Darm­zel­len ster­ben so­gar ab.

In Tier­stu­di­en ge­lang es bis­lang nicht, die mensch­li­chen Zell­schä- den über­zeu­gend nach­zu­voll­zie­hen. In ih­rer Stu­die hin­ge­gen fan­den die For­scher mit­hil­fe der Darm-Chips nun her­aus, dass die ra­dio­ak­ti­ve Strah­lung in ers­ter Li­nie die En­do­thel­zel­len der Blut­ge­fä­ße schä­dig­te. Erst in ei­nem zwei­ten Schritt setz­te das ei­ne Ket­ten­re­ak­ti­on in Gang, die letzt­lich zum Ab­ster­ben der Darm­zel­len führ­te.

Zu­dem konn­ten die For­scher nach­wei­sen, dass ei­ne me­di­ka­men­tö­se Vor­be­hand­lung vor der Be­strah­lung die Zell­schä­den ein­dämm­te. „Sie konn­ten zei­gen, dass sich die Wir­kun­gen von ra­dio­ak­ti­ver Strah­lung auf mensch­li­che Darm­zel­len und die Wir­kung ei­nes Me­di­ka­men­tes bes­ser im Darm-Chip nach­voll­zie­hen las­sen als in ei­ner Maus“, so Ertl. „Das Mo­dell ist aber im­mer noch ei­ne Ver­ein­fa­chung“, schränkt er ein. Idea­ler­wei­se müs­se man für die Zel­len der Darm-Chips Ge­we­be­pro­ben von Pa­ti­en­ten neh­men und nicht Zel­len aus Zell­kul­tu­ren aus dem La­bor. In der Stu­die ver­wen­de­ten die For­scher aber kul­ti­vier- te Zel­len, zu­dem han­del­te es sich nicht um ge­sun­de Zel­len, son­dern um krebs­ar­ti­ge Epi­t­hel­zel­len. „Die­se ver­hal­ten sich na­tür­lich an­ders als ge­sun­de Zel­len, da sie ei­ne ganz an­de­re Ge­ne­tik ha­ben.“

Au­ßer­dem glaubt Pe­ter Ertl nicht, dass da­mit be­reits jetzt Tier­ver­su­che er­setzt wer­den kön­nen. „Da müss­te man für die Or­ganChips nicht nur mensch­li­che, son­dern auch tierische Zel­len ver­wen­den. Und dann die glei­chen Er­geb­nis­se er­zie­len wie im Tier­ver­such. „Nur so kann auch si­cher­ge­stellt wer­den, dass Or­ganChips aus­sa­ge­kräf­ti­ge Re­sul­ta­te lie­fern“, re­sü­miert Ertl.

Fo­to: Wyss In­sti­tu­te at Har­vard Uni­ver­si­ty

Mit klei­nen Or­ga­nen auf Chips kön­nen For­scher die Wir­kung ei­nes Me­di­ka­men­tes mit­un­ter bes­ser nach­voll­zie­hen als durch Ver­su­che an La­b­or­tie­ren.

Newspapers in German

Newspapers from Austria

© PressReader. All rights reserved.