Wissen: Die Ein-Millionstel-Leber

„Wenn wir unseren Chip so wie geplant hinbekommen, dann können wir Tierversuche weitgehend ersetzen“, sagt Uwe Marx. Er öffnet einen Pappkarton und nimmt vorsichtig ein Metallplättchen heraus. „Hier“, sagt er und zeigt auf ein kaum ein Millimeter großes Loch in dem Plättchen, „züchten wir eine kleine Leber, gleich in die Kammer daneben kommt Nervengewebe und in die dritte wollen wir ein Stück Haut mit Haarwurzel setzen.“ In jede der drei Kammern passt etwa ein Mikroliter Flüssigkeit. Die Menge von einem normalen Wassertropfen würde reichen, um etwa 40 solcher Kammern zu füllen. Dennoch ist Marx überzeugt, dass er darin winzig kleine funktionsfähige Organe züchten kann.

Der Mediziner hat bereits zwei erfolgreiche Biotech-Unternehmen gegründet. Jetzt ist er an die TU Berlin gewechselt, um mit dem dortigen Biotechnologen Roland Lauster seine Idee von einem Multiorgan-Biochip weiterzuentwickeln. Gleichzeitig baut Marx eine Firma auf, die in wenigen Jahren den Chip zur Marktreife bringen soll. Das Bundesforschungsministerium unterstützt das Projekt mit rund 2,8 Millionen Euro.

Die Vision, aus einzelnen Zellen ganze Organe zu entwickeln, elektrisiert die Forscherwelt seit Jahrzehnten. Zahlreiche Mediziner, Bioingenieure und Molekularbiologen arbeiten an dem Ziel, eines Tages eine künstliche Leber oder Niere züchten zu können, um sie einem Patienten zu implantieren. Das Thema wurde 1995 in den Medien bekannt durch ein Foto, das der amerikanische Gewebepionier Charles Vacanti veröffentlichte. Es zeigte eine Maus, auf deren Rücken eine Struktur transplantiert war, die wie ein menschliches Ohr aussieht. Die Struktur bestand tatsächlich aus Knorpelgewebe, das Wissenschaftler aus menschlichen Zellen gezüchtet hatten.

Eine neue Wissenschaftsdisziplin etablierte sich, das „Tissue Engineering“. Man glaubte, dass man wie bei dem Ohr auf der Maus nur die richtigen Zellen, die richtige Struktur, auf der die Zellen wachsen können, finden und die richtige Flüssigkeit dazugeben muss und schon kann man jedes Organ nachbilden. „Das war ein Holzweg“, sagt Marx heute, 15 Jahre nach dem Foto mit der Vacanti-Maus. Tatsächlich sind die Erfolge des Tissue Engineering, gemessen an den Versprechungen von damals, bescheiden. Mediziner können heute kleine Stücke Haut- oder Knorpelgewebe entwickeln und Patienten implantieren. Von der Nachbildung ganzer Organe sind sie noch weit entfernt.

„Auch ich bin damals mit dem Versuch, Knochenmark zu züchten, gescheitert“, erinnert sich Marx. So überlegte er, ob nicht der Plan, gleich komplette Organe zu entwickeln, im Ansatz falsch ist. „Große Systeme nachzubauen, hat nie funktioniert. Deshalb will ich versuchen, ein Organ im Mikromaßstab zu bauen“, beschreibt der Mediziner seine Idee.

Betrachtet man eine Leber unter dem Mikroskop, sieht man kleine lappenförmige Strukturen, die sogenannten Lobuli. Jedes dieser Läppchen ist eine Produktionseinheit, die die komplette Funktion der Leber im Kleinen abdeckt. Eine Leber ist nichts anderes als der Zusammenschluss von etwa 1,5 Millionen Lobuli. „Dieses Prinzip gilt für jedes Organ: Auch die Niere, die Haut, sogar das Gehirn funktioniert in Einheiten, die alle etwa einen Mikroliter Volumen haben“, sagt Marx.

Diese Kleinteiligkeit, vermutet der Forscher, ist der Grund dafür, dass Organe bisher nicht nachgebaut werden konnten. Denn jede Einheit besteht aus verschiedenen Zelltypen, die arbeitsteilig zusammenwirken. „Da fühlt sich die eine Zelle nur wohl, wenn sie die richtigen Nachbarzellen um sich herum hat, die beschnuppern sich alle ständig gegenseitig“, beschreibt er seine Vorstellung vom Zell-Zusammenleben in den Mikroorganen. An dem einen Ende eines Leber-Läppchens sind bestimmte Stoffe anders konzentriert als am anderen Ende. „Damit die Zellen funktionieren, brauchen sie genau diese Gradienten“, vermutet Marx.

Bisher wurde beim Tissue Engineering auf solche Zellbefindlichkeiten kaum Rücksicht genommen. Meist setzten die Forscher alle Zellen in einer Kulturschale dem gleichen Milieu aus. Die Zellen entwickelten sich alle gleich, so konnte die Arbeitsteilung, die für das Funktionieren eines Organs wichtig ist, nicht entstehen.

Mit seinem Biochip möchte Marx einen neuen Weg gehen: Er will in den Mikroliter-kleinen Kammern ein Milieu schaffen, wie es in den kleinen Organeinheiten herrscht. Dafür sind die Kammern mit einem Röhrensystem verbunden, mit dem er den Blutstrom simulieren kann. Er hofft, dass die Stammzellen sich dort so wohl fühlen, dass sie sich zu den Mikroorganen entwickeln.

„Wir sind damit Pioniere“, sagt der Biotechnologe Roland Lauster, in dessen Arbeitsgruppe Marx den Biochip erforscht. „Bei unserem Projekt kommen drei Techniken zusammen, die in den letzten 20 Jahren enorme Fortschritte gemacht haben: Tissue Engineering, Stammzellforschung und Mikrosystemtechnik.“ Sollte das Vorhaben gelingen, dann können die Mikroorgane auf dem Chip aber nicht als Transplantate für Patienten genutzt werden, denn jede dieser Einheiten ist nur der Millionste Teil eines menschlichen Organs und kann dessen Funktion bei weitem nicht ersetzen. Marx hat sich deshalb eine andere Anwendung überlegt. Er will auf dem Chip die Biochemie des menschlichen Organismus simulieren. Arzneien und Chemikalien könnten damit auf ihre Verträglichkeit getestet werden.

Bisher wird die Wirkung neuer Stoffe vor allem im Tierversuch erforscht. Doch die sind gesellschaftlich umstritten. Außerdem hat eine Maus, eine Ratte, selbst ein Affe einen deutlich anderen Stoffwechsel als ein Mensch. „Die Aussagekraft von Tierversuchen ist deshalb gering“, sagt Lauster. Als Alternative werden seit einigen Jahren für den Verträglichkeitstest von neuen Chemikalien auch menschliche Zellen, die in Kulturschalen gezüchtet werden, verwendet. „Aber auch Zellkulturen verhalten sich anders als der komplette Mensch“, meint Lauster.

Mit den drei Mikroorganen, die auf dem geplanten Chip wachsen sollen, hoffen die Forscher, möglichst nah an die Biochemie eines Menschen heranzukommen. Sollte das gelingen, dann könnte sogar das Testen der fraglichen Stoffe automatisiert werden.

Der Bedarf für Testsysteme von neuen Arzneien und anderen Chemikalien ist enorm. Allein 2008 wurden laut Bundesregierung in Deutschland 2,7 Millionen Wirbeltiere für Versuche verwendet. Durch eine neue EU-Chemikalienverordnung müssen zudem in großen Mengen hergestellte Chemikalien, die bereits auf dem Markt sind, teilweise erneut auf ihre Verträglichkeit geprüft werden.

So entsteht bis 2020 ein Bedarf von 10 bis 45 Millionen zusätzlichen Tierversuchen, schätzt die EU-Kommission. „Ideal wäre eine Großdurchsatztechnik, um toxische Wirkungen von Chemikalien abzuschätzen“, sagt Lauster. Sollte Uwe Marx erfolgreich sein, dann würde so ein Verfahren in der TU Berlin entwickelt werden.