Biotechnik : Organ-Chips simulieren den Menschen

Wirkstoffe werden zuerst an Tieren getestet. Aber ein Labordummy aus Gewebeproben und Miniaturorganen könnte Tierversuche ersetzen und die Suche nach neuen Medikamenten revolutionieren.

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Auf einem „Lungenchip“ werden Atemwege und Blutstrom im Kleinen nachgebildet.
Mensch en miniature. Auf einem „Lungenchip“ werden Atemwege und Blutstrom im Kleinen nachgebildet.Foto: Wyss-Institut, Harvard-Universität

Der eine ist unüberhörbar Berliner und forscht in einem mehr schlecht als recht erhaltenen ehemaligen AEG-Fabrikgebäude in Wedding. Der andere ist Amerikaner und residiert in einem funkelnagelneuen Institut der Harvard-Universität in Boston. Uwe Marx ist Chef der kleinen Berliner Biotechfirma TissUse mit zwei Dutzend Mitarbeitern, für die er knapp sechs Millionen Euro aufgetrieben hat. Donald Ingber leitet das rund 400 Mitarbeiter große Wyss-Institut, das allein vom Schweizer Stifter Hansjörg Wyss bereits 250 Millionen Dollar erhalten hat. Das Ziel der beiden Forscher ist jedoch das gleiche: Sie wollen den Menschen auf eine Chipkarte bannen. Menschliche Gewebe und Organe sollen bis 2017 so weit miniaturisiert werden, dass die wesentlichen Stoffwechselprozesse im Labor simuliert werden können – und damit viele Tierversuche überflüssig werden. Ein Kopf-an-Kopf-Rennen zweier Forscher – bei dem der Berliner die Nase vorn hat.

Ein Labor-Dummy des Menschen ist dringend nötig. Bislang sind Medikamentenentwickler auf Tierversuche angewiesen, um Wirkung und Nebenwirkung neuer Substanzen erahnen zu können, bevor sie am Menschen getestet werden. Aber viele Stoffwechselprozesse, die Medikamentenwirkstoffe aufnehmen, verändern, transportieren oder ausscheiden, kommen in Tieren gar nicht vor. Dadurch treffen die Tests häufig falsche Aussagen. Die Folge ist: Von zehn aussichtsreichen Medikamentenkandidaten, die laut Tierversuch wirken sollten, scheitern bei den ersten Tests am Menschen etwa neun. Da solche klinischen Studien an Menschen hunderte Millionen Euro verschlingen können, summieren sich die Kosten pro erfolgreich zugelassenem, neuartigem Medikament auf schätzungsweise 800 Millionen Dollar – inklusive Fehlentwicklungskosten.

Medikamentenentwickler suchen deshalb händeringend nach neuen Methoden, mit denen bessere Vorhersagen möglich sind als mit Tierversuchen. „Wenn wir mit Hilfe von Multiorgan-Chips die Fehlentwicklungsrate von 9:10 nur auf 8:10 senken könnten, könnten wir die Zahl neuer Medikamentenzulassungen verdoppeln“, sagt Lewis Kinter, der beim Pharmakonzern AstraZeneca die Toxikologie und Medikamentensicherheit leitet. „Jeder in der Pharmaindustrie ist an den Chips interessiert.“

Grafik: Der Tagesspiegel/Klöpfel

Wie groß das Interesse an menschlichen Labor-Dummies ist, zeigt eine ungewöhnliche Forschungskooperation in den USA zwischen den Nationalen Gesundheitsforschungsinstituten NIH, der Medikamentenzulassungsbehörde FDA und der Defense Advanced Research Projects Agency (Darpa). Jeweils 70 Millionen Dollar steuern Darpa und die NIH seit 2012 zu einer „Tissue and Drug Screening“ Initiative bei, über die rund 20 Forschungsgruppen im ganzen Land finanziert werden, um einzelne Organe zu miniaturisieren und chipfähig zu machen. Vor ein paar Wochen kamen noch einmal 17 Millionen Dollar dazu. Ingbers Labor ist einer der Nutznießer und entwickelt das System, das die Einzelorganchips der verschiedenen Labors miteinander verbinden soll.

Stress im Gewebe soll simuliert werden

Die Miniatur-Version einer Lunge (siehe Bild) hat Ingber bereits zum „Atmen“ gebracht. Einen silikonbeschichteten Chip durchziehen zwei nähnadeldünne Kanäle, die durch eine wenige Hundertstel Millimeter dicke Membran voneinander getrennt sind. Wie in der Lunge gelangt so Sauerstoff aus dem einen, durchlüfteten Kanal in die blutähnliche Flüssigkeit im anderen Kanal. Der Luftkanal ist von Zellen besiedelt, die auch echte Lungenbläschen auskleiden. Der andere ist von blutgefäßbildenden Zellen besiedelt. Rhythmisch pumpen Vakuumpumpen Luft und Blutersatz durch den Chip. Und das ist keine Spielerei. „Man muss den mechanischen Stress, dem ein Organ ausgesetzt ist, sehr genau nachstellen“, sagt Marx, der ebenfalls einen Lungenchip entwickelt. „Beim Darm müssen wir die peristaltischen Bewegungen nachahmen, bei der Haut die Schuppen abrubbeln, und wenn wir Knochen nicht unter Druck setzen, dann werden sie nie so hart wie im Original.“ Ohne das Stretching der Zellen beim „Atmen“ verhalten sich Luftschadstoffe auf dem Chip nicht immer wie in einer echten Lunge, wandern zum Beispiel nicht ins Blut, und die Gefahr durch die Partikel könnte falsch eingeschätzt werden.

Wenn Ingber der vergleichsweise plumpen Nachbildung der Lunge bestimmte Immunzellen hinzugibt und eine Entzündung simuliert, kann er jenes pfeifend rasselnde Atemgeräusch erzeugen, das Patienten mit Asthma oder Lungenentzündung gut kennen. „Das hört sich dann an wie damals im Medizinstudium, als ich dieses Geräusch erkennen sollte“, sagt Ingber. Nun kann er durch die durchsichtigen Chips live im Mikroskop beobachten, wie es entsteht – durch Zellen und Flüssigkeit, die aus dem entzündeten Lungenepithel in die Atemwege geraten.

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