Der Mini-Mensch aus dem Biotech-Labor

Er ist nur so groß wie ein Smartphone. Darin ein winziges, schlagendes Herz, verbunden mit einem Kompressor, das in einem bestimmten Takt künstliches Blut aus der Herzkammer in den angeschlossenen Kreislauf pumpt. Kleine Bioreaktoren beherbergen die lebenden Mini-Organe. Mit diesem Multi-Organ-Chip wollen Forscher Wirkstofftests aussagekräftiger und Tierversuche überflüssig machen. Der Chip wurde von Forschern der TU Berlin und dem Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS entwickelt. Dabei ist die TU für die biologische und das Fraunhofer-Institut für die technische Seite verantwortlich.

Der Organchip bildet den menschlichen Organismus stark vereinfacht in einem Maßstab von 1 zu 100.000 nach. Er besteht aus Polymerfolien, die sich je nach Anforderungen beliebig kombinieren lassen. Mit einem Femtosekundenlaser werden zum Beispiel das Gefäßsystem und kleine Kammern für ein Herz eingebracht. Bei den Organen handelt es sich um dreidimensionale Zellgebilde, die jeweils die kleinsten Funktionseinheiten eines Organs wiederspiegeln. Mit Hilfe von modernster Zellkulturtechnik, 3D-Biodruck und Mikrofluid haben die Forscher in den vergangenen Jahren die Plattform verfeinert und ausgebaut.

Nach anfänglichen Einzelorgantests, versuchten die Forscher immer mehr Mini-Organe miteinander zu koppeln. 2012 präsentierte das Team den ersten Doppelorganchip aus Haut und Leber. Ende 2014 konnten sogar vier Organe miteinander gekoppelt werden: Darm, Leber, Niere und Haut. Dabei ist die Zusammensetzung der Organe wichtig. Eines muss den Wirkstoff aufnehmen, eines muss ihn verstoffwechseln und eines muss ihn ausscheiden. Um die Wirksamkeit von neuen Medikamenten zu testen, werden die Chips täglich mit einer Wirkstoffdosis beaufschlagt, um anschließend Blutproben zu entnehmen.

Neue Wirkstoffe und Medikamente werden bisher an Tieren wie Mäusen oder Ratten getestet. Allerdings sind Tierversuche eine sehr kostspielige Sache: eine entsprechend behandelte Labormaus kostet bis zu 25.000 Euro und das ohne Futter. Der Chip kostet weniger als 1000 Euro. Ins Geld geht lediglich das menschliche Zellmaterial, mit dem die Organkammern besiedelt werden. Außerdem ist da die ethische Komponente. Bis zu drei Millionen Versuchstiere sterben jährlich in Laboratorien. Dabei ist sich Frank Sonntag vom Fraunhofer IWS sicher: „Diese Chips werden in fünf bis zehn Jahren bereits vielen Versuchstieren das Leben retten.“ Schon seit 2013 sind in der Kosmetikindustrie Tierversuche verboten, weswegen die Chips hier schon im vollen Einsatz sind.

Das kann auch in der Medizintechnik so sein, denn nicht nur Kosten werden mit Chip gespart, sondern es sind auch individuelle Patientenbehandlungen möglich. „Die Medizin bringt immer häufiger individuell auf den Patienten abgestimmte Therapien hervor, da bringen Tierversuche nicht mehr viel“, erklärt Sonntag. So könnten dank Organchips einfach individuelle Therapien zugeschnitten werden. Man müsste nur den Organchip mit Zellen des Patienten befüllen und Tests durchführen. Außerdem könnten mit dem Einsatz der Chips die Entwicklung wirksamer Impfstoffe und Medikamente beschleunigen. Bisher dauert die Entwicklung eines neuen Wirkstoffs gute zehn Jahre und verschlingt Unsummen.

Neben der Technik ist auch der biologische Teil bei den Organchips schwierig zu beschaffen „Geeignetes menschliches Material zu finden, ist eine große Herausforderung, sagt Florian Schmieder, Mitentwickler der Chiptechnologie. Zwar fallen in einem Krankenhaus große Mengen an Zellen und Gewebe an, doch sind diese meist erkrankt. Es gibt nur wenige gesunde Zelllieferanten wie etwa Vorhäute. Und gezüchtetes Material ist für Forschungen nicht geeignet, da es teilweise anders reagiert als Zellen im menschlichen Körper. Während menschliche Zellen nach einer bestimmten Anzahl von Teilungen absterben, teilen sich künstliche Zellen wie Krebszellen immer weiter. Daher hoffen die Forscher auf die Stammzellenforschung.

Bis 2018 wollen das Fraunhofer IWS und die TU Berlin zehn Organsysteme auf ihrem Chip vereinen. Damit käme man der Simulation der menschlichen Physiologie besonders nahe. „Je mehr Organe, desto näher an der menschlichen Physiologie, aber desto größer das Risiko“, weiß Sonntag. Dennoch ist die Hoffnung groß, dass der Organchip eines Tages die bessere Alternative zum Tierversuch ist. Im Unternehmen Tissuse, ein Spin-off der TU Berlin, soll das Projekt erfolgreich vermarktet werden.