Bitte warten...
Miniorgane

Chip ersetzt Tierversuche Künstliche Mini-Organe im Einsatz

Laut offiziellen Angaben des Ministeriums für Ernährung und Landwirtschaft wurden alleine im Jahre 2014 rund drei Millionen Tiere zu Testzwecken in deutschen Versuchslaboren gehalten. Die Tiere müssen oftmals Qualen ertragen oder sogar sterben, weil chemische Substanzen oder Medikamente an ihnen getestet werden. Nun gibt es einen vielversprechenden neuen Ansatz: Künstliche Mini-Organe.

Geringe Aussagekraft von Tierversuchen

Es ist längst nicht erwiesen, dass Substanzen, die ausreichend an Tieren getestet wurden, auch für den Menschen verträglich sind. Biotechnologin Maschmeyer erklärt, dass alle Medikamente zuerst an Tieren getestet werden. Danach werde die Sicherheit der Medikamente in einer Klinikstudie an gesunden Menschen getestet. Später werde die Effektivität des Medikaments getestet, dabei falle noch einmal ein großer Prozentsatz der Medikamente weg.

Infolgedessen würden bis zu 85 Prozent der Medikamente nicht auf dem Markt akzeptiert. 85 Prozent der Medikamente, die am Tier als sicher und effizient gebranntmarkt worden seien, seien überhaupt nicht am Menschen anwendbar. Maschmeyer hält das für ein großes Problem.

Mini-Organe

Ziel des Forschungsprojektes ist es, in der Medikamentenentwicklung Tierversuche durch Tests an künstlichen Miniorganen zu ersetzen.

Wie können Tierversuche ersetzt werden?

Zur Lösung dieses Problems würde die 29-Jährige Wissenschaftlerin gemeinsam mit ihren rund 30 Kollegen im Team der TU Berlin und von "Tissues GmbH", einem Spinn-off der Technischen Universität, gerne beitragen. Mit fundierten wissenschaftlichen Argumenten und überprüften Nachweisen versuchen die Wissenschaftler Tierversuche zu ersetzen. Zu diesem Zweck bauen sie ein spezielles System: In einem Minikreislauf werden Miniorgane miteinander kombiniert. So könne man den Effekt eines Organ auf ein anderes - also die Interaktionen zwischen den Organen - analysieren, berichtet Maschmeyer.

Tests an künstlichen Organen

"Organs on a chip" nennt sich der Ansatz, an dem man die Wechselwirkung von Substanzen erstmals an mehreren künstlichen Organen verfolgen kann. Die Forscher setzen darauf, dass das Prinzip mit den künstlichen Mini-Versuchsorganen irgendwann allgemein anerkannt wird. Ein Großteil der herkömmlichen Tierversuche könnte somit ersetzt werden - rund 70 bis 80 Prozent im besten Fall.

Labormaus bekommt Medikament injiziert.

Immer noch werden Medikamente im ersten Schritt an Tieren getestet. Doch welche Aussagekraft haben die Ergebnisse der Tierversuche überhaupt?

Laut Jungwissenschaftlerin Maschmeyer wurden mit dem ersten Prototyp, dem 2-Organen-Chip bzw. dem 4-Organen-Chip, schon viele Versuche gemacht. Kombiniert wurden in dem Chip dabei hauptsächlich Haut und Leber, Darm und Leber oder neuronale Zellen mit Leber. An diesen Chips würden dann die ersten Tests mit Substanzen durchgeführt - so könne man herausfinden, wie die Organe auf die applizierten Substanzen reagierten. Anschließend würden die eigenen Ergebnisse mit bereits publizierten Ergebnissen verglichen.

Die meisten Ergebnisse ähneln den herkömmlichen Ergebnissen. Manchmal kommt es aber auch zu Abweichungen. Ein Versuch wird deshalb in der Regel mindestens fünf- bis zehnmal wiederholt.

Bioreaktor im Handtaschen-Format

Der Multi-Organ-Chip erinnert in seiner Optik ein wenig an eine Musikkassette. Auf ihm befinden sich die Kontakt-Punkte, über die der Mini-Bio-Reaktor später mit Schläuchen an eine Pumpe angebunden werden kann. Dort wird dann Druck und Unterdruck appliziert - eine Simulation der Bewegung der Herzkammer. Die Wissenschaftler verbinden auf diese Weise die Mini-Organe-auf dem Chip mit einem künstlichen Blutkreislauf. Wenn der Chip arbeitet, kann er seine Medizin bekommen, die daraufhin getestet und unter dem Mikroskop überwacht wird. Der Bioreaktor selbst ist relativ klein, oder wie Maschmeyer es beschreibt: "Er passt in jede weibliche Handtasche. Selbst, wenn sie noch so klein ist."

Künstliche Miniorgane.

Im Gegensatz zu anderen Forschungsprojekten kommt es bei den Versuchen der TU Berlin darauf an, dass nicht nur ein bestimmtes Organ, sondern mehrere Organe in Kombination getestet werden.

Woher stammt das verwendete Zellmaterial?

Doch woher kommt eigentlich das Ausgangsmaterial für die tierversuchsfreie Forschung? Immerhin handelt es sich doch um lebendige Zellen, oder? Biotechnologin Maschmeyer erklärt, dass beispielsweise überflüssiges Hautmaterial, welches bei chirurgischen Operationen entsteht, verwendet werde. Denn wenn der Patient zustimme, dürfe dieses für Forschungszwecke genutzt werden. Aus diesen Hautstücken würden Zellen isoliert, vermehrt und schließlich wieder zu Hautmodellen zusammengebaut.

Versuchsorgane ohne Empfindungen

Die künstlichen Organe werden also aus echten menschlichen Zellen im keimfreien Raum gezüchtet. Sie sind rund 100.000 mal kleiner als echte Organe. Von alleine sind diese Miniorgane auf dem Chip allerdings nicht lebensfähig. Sie haben keine Empfindungen, spüren weder Schmerz noch Leid, wie z.B. viele der Tiere in Versuchslaboren. Aus ethischen Gründen werden die künstlichen Versuchsorgane dennoch nur vier Wochen am Leben gehalten. Doch die Substanzen, die an den Organchips getestet werden, konnten bis dahin unter möglichst realen Bedingungen erforscht werden. Manche Wissenschaftler argumentieren sogar, dass diese Ergebnisse aussagekräftiger als die von Tierversuchen seien.

Ärzte zeichnen Formen auf Oberkörperhaut vor Operation.

Das Zellmaterial für die tierversuchsfreien Versuche stammt beispielsweise aus chirurgischen Operationen, bei denen überflüssiges Hautmaterial entstehen kann.

Das Beispiel der menschlichen Haut

Maschmeyer erklärt, welche Erkenntnisse durch Versuche an künstlicher Haut gewonnen werden können:

"Bei der Haut können wir sehen, ob eine Substanz durch die Haut hindurchgeht, ob sie vielleicht in der Haut schon verstoffwechselt oder gebunden wird. Geht sie überhaupt gar nicht durch die Haut oder hat sie vielleicht einen alterungsbremsenden Effekt? Wird unsere Haut erneuert oder nicht? Das können wir dann alles an unseren Hautmodellen analysieren."

Wechselwirkungen zwischen den Organen besonders wichtig

Ein anderes herkömmliches tierversuchsfreies Verfahren, um die Wirkung von chemischen Substanzen auf den Menschen zu testen, ist die Substanzmessung mit 2D- und 3D-Zellkulturen. Diese sind zwar ebenfalls menschlichen Ursprungs, doch bilden sie nicht die systemische Kombination der Organe nach. Neu an der Methode der Bio-Technologen ist die Verbindung von beiden Ansätzen. Laut der Biotechnologin testeten viele Wissenschaftler nur an einem Testsystem - also beispielsweise nur an der Lunge, nur an der Haut oder nur an der Leber. Die wichtigen Wechselwirkungen zwischen den Organen sähen sie so aber nicht.

Bunte Pillen auf Löffeln.

Kann in Zukunft auf Tierversuche in der Medikamentenentwicklung verzichtet werden?

Bald keine Tierversuche mehr in der Medikamentenentwicklung?

Ziel des Projekts ist es, Tierversuche in der Medikamentenentwicklung künftig weitgehend überflüssig zu machen. Wenn möglich sogar bald mit der Hilfe eines 10-Organ-Chips, welches bis zum Jahre 2018 fertig entwickelt sein soll. In rund einem Jahrzehnt, so hoffen die Forscher, könnte es dann endlich so weit sein, dass das Prinzip der Multi-Organs-on-a-chip grundlegend anerkannt sein wird. Und irgendwann, so die kühne Vision der Entwickler, könnte es sogar möglich werden, individuelle Chips für einzelne Menschen zu konstruieren, was die Entwicklung von Medikamenten geradezu revolutionieren würde. Sie würden weitaus preiswerter und - so die Hoffung - effektiver werden. Und Tierversuche könnten dann - womöglich - der Vergangenheit angehören.