Fraunhofer-Ingenieure aus Dresden haben einen sogenannten Multiorgan-Chip entwickelt. Dieses nun in Brüssel mit einem EARTO Innovation Award ausgezeichnete Mikrosystem aus dem Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS Dresden simuliert den Blutkreislauf und die Organe von Tieren oder Menschen.
Die Abbildungen zeigen im Vergleich, wie der Blutkreislauf im menschlichen Körper (links) und wie die Kanäle auf dem Multiorgan Chip (rechts) die Leber, die Nieren und andere Organe beziehungsweise Gewebe versorgen. Auf dem Chip können viele Zuflüsse einzeln durch Ventile (rote Pfeilsymbole) gedrosselt werden.
Auf dem Multiorgan-Chip simulieren mehrere technische Komponenten das Zusammenspiel von Blutkreislauf und Organen im menschlichen Körper. Dazu gehören eine Pumpe (1), eine Speicherkammer für Blut und Wirkstoff (2), Kammern für Organe und Gewebe (3) sowie Ventile (4), die den unterschiedlich starken Blutzufluss zu verschiedenen Organen nachbilden(©Fraunhofer IWS Dresden)
Text zum Titelbild: Das gleiche Schema in der Praxis auf einem bereits angeschlossenen Multiorgan-Chip mit Pumpen und Ventilen (kleine rote Punkte) sowie den Kammern für Organe, Gewebe, Blut und Wirkstoffe (©Fraunhofer IWS Dresden)
Das Mikrolabor auf einem Chip soll der Industrie helfen, neue Medikamente und Kosmetika zügiger als bisher zu entwickeln. Was aber noch wichtiger ist: Wir sehen gute Chancen, sehr viele Tierversuche überflüssig zu machen, betonte Dr. Udo Klotzbach, Geschäftsfeldleiter Mikrotechnik am Fraunhofer IWS. Zudem öffne dieses System die Tür zu einer individualisierten Medizin ein Stückchen weiter, in der Ärzte für jeden Patienten eine genau passende Therapie binnen Tagen statt Jahren ermitteln können.
In der neuesten Parallelflussversion bildet der Multiorgan-Chip laut IWS-Systementwickler Dr. Frank Sonntag auch die unterschiedlich starke Durchblutung von Organen nach. Gerade diese neueste Weiterentwicklung hält die European Association of Research and Technology Organisations (EARTO, deutsch: Europäische Assoziation der Forschungs- und Technologie-Organisationen) für wegweisend. Sie erwartet erhebliche Auswirkungen auf die Wirtschaft. Die Assoziation hat den Multiorgan-Chip aus Dresden daher am Dienstag, den 16. Oktober 2018 im Wettbewerb um die EARTO Innovation Awards 2018 mit dem dritten Preis in der Kategorie Impact Expected in Brüssel ausgezeichnet.
Komplettverbot für viele Tierversuche absehbar
Nach Überzeugung von Udo Klotzbach werden früher oder später Tierversuche für die Pharma- und Kosmetikentwicklung komplett verboten. Die Niederlande seien da Vorreiter, andere Länder würden folgen. Er sieht daher für das von den Fraunhofer Forschern am IWS entwickelte System großes Umsetzungspotenzial. Weltweit bemühen sich Industrielabore und Forschungsinstitute seit langer Zeit darum, eine technologische Ersatzlösung für Tierversuche zu finden. Im Wettlauf um die besten Multiorgan-Chips investieren Länder wie die USA teils dreistellige Millionenbeträge in die entsprechende Forschung und Entwicklung. Das ist weltweit ein Topthema, sagt Udo Klotzbach.
Das Fraunhofer IWS hatte im Jahr 2009 begonnen, Multiorgan-Chips zu entwickeln. Das Dresdner Institut ist somit nun weiter als andere, wie nicht zuletzt auch die EARTO-Auszeichnung unterstreicht. Mittlerweile können die Forscher zahlreiche Abläufe in einem natürlichen Organismus schon vergleichsweise komplex in ihren Labor-Chips nachbilden. Dazu gehört insbesondere die Wirkstoffverteilung im Blutkreislauf und zwischen den Organen.
Gestapelte Folien simulieren das Zusammenspiel der Organe
Die Dresdner Ingenieure setzen ihre Multiorgan-Chips aus mehreren Ebenen zusammen. Mit einem Laser schneiden sie zunächst in Kunststofffolien die späteren Blutbahnen, die Kammern für Organzellen und andere Funktionselemente. Diese Folien stapeln sie dann übereinander, verbinden sie und ergänzen sie um Sensoren, Ventile, Pumpen, Anschlüsse, Stoffaustauscher und elektronische Ansteuerungen. Der so zusammengefügte Multiorgan-Chip misst etwa drei mal zehn Zentimeter, ist also etwa so groß wie eine Tablettenschachtel.
Die Anwender aus der Medizin, Pharmazie oder Schönheitsbranche befüllen die Kammern in diesen Multiorgan-Chips zum Beispiel mit den Zellen der Leber, des Herzens oder anderer Organe. Dann setzen sie den künstlichen Blutkreislauf in Gang und leiten ihren Testwirkstoff ein. Im Zusammenspiel zwischen den simulierten Organen können sie analysieren, wie ein Tier oder ein Mensch auf das neue Medikament oder das neue Schönheitspräparat reagieren würde. Solch eine technische Nachbildung ersetzt zwar den Test am lebenden Organismus nicht vollständig. Der Chip aber kann in der langen Kette bis zur Marktzulassung viele Tierversuche überflüssig machen.
In zahlreichen medizinischen Praxistests hat sich dieses Mikrofluidsystem bereits bewährt. Unsere Partner des Uniklinikums Dresden melden uns zurück, dass die in unseren Chips getesteten Zellen etwa einen Monat lang lebensfähig sind, berichtet Udo Klotzbach. Die Organzellen überleben in dem Multiorgan-
Chip insofern deutlich länger als in klassischen Petrischalen.
Zudem eröffnet die neueste Parallelversion des Multiorgan-Chips bessere Möglichkeiten, die Flussprozesse in einem biologischen Organismus naturgetreuer nachzustellen. Wie Entwickler Dr. Frank Sonntag erläutert, benötigen im menschlichen Körper die verschiedenen Körperteile, Organe und Gewebe unterschiedlich viel Blut. Das Gehirn beispielsweise werde viel stärker durchblutet als die Augen. Außerdem seien die menschlichen Organe auch nicht in Reihe geschaltet, sondern hätten parallele Blutversorgungen. Deshalb habe das Team die Organkammern auf den Chips nun auch mit parallelen Kanälen verbunden, deren Durchflussmengen einzeln geregelt werden können. Mikroskopisch kleine Ventile machen es außerdem möglich, Infarkte zu simulieren: Per Softwarebefehl können die Anwender bestimmte Blutbahnen verriegeln, um beispielsweise zu überprüfen, wie und in welcher Zeit Nervenzellen auf einen Schlaganfall reagieren.
Als Nächstes wollen wir weitere Sensoren integrieren, kündigte Udo Klotzbach an. Er denke zum Beispiel an Bauelemente, die einige Analysen gleich auf dem Chip ermöglichen. Und wir wollen Konzepte des Maschinellen Lernens integrieren, um die Analyseergebnisse zu verbessern.
- www.iws.fraunhofer.de
