Etwa so groß wie eine Visitenkarte sind die mikrophysiologischen Systeme, an denen sich das testen lassen soll, was bisher in Tierversuchen geprüft wurde. Sie sind nicht Mensch, nicht Tier, streng genommen nicht mal Organ. Aber die miniaturisierten Zellkultursysteme können alles das, was man braucht, um zu testen, wie der menschliche Körper auf ein Medikament reagiert: Sie bilden die „pharmakologisch relevanten Funktionsmechanismen“ nach.
Frank Sonntag vom Dresdener Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS arbeitet seit 2010 an solchen Fragestellungen. Trotz der Vereinfachung gilt es in den Mikrosystemen viele Mechanismen nachzubilden. „Dazu zählen neben der Verteilung von Substanzen über ein Gefäßnetzwerk das mikrophysiologische Milieu der Körperzellen und die Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Zelltypen“, erläutert er. Die Mikrosysteme beinhalten unter anderem Kanäle, Reservoire, Aktorik, Sensorik und mit Lasertechnik hergestellte 3D-Gerüste. „Damit können die biochemischen und zellulären Abläufe der Organe des menschlichen Körpers nachgestellt werden.“
Konkret ahmen die Forscher die Funktion von Organen oder Organteilen nach, in dem sie mehrere menschliche Zelltypen im mikrophysiologischen System gemeinsam kultivieren. Wie im menschlichen Körper benötigen verschiedene Zelltypen unterschiedliche Bedingungen, um ihren Funktionen nachzukommen. Wichtige Körperfunktionen, wie die konstante Regelung der Temperatur auf 37 °C, werden in allen mikrophysiologischen Systemen durch Heiz- und Kühlelemente bereitgestellt.
Blutähnliches Medium wird von winziger Pumpe bewegt
Die Entwickler am Fraunhofer IWS wollen maßgeschneiderte mikrophysiologische Systeme für verschiedene Organe auf dem Chip entwickeln und somit dazu beitragen, dass die Zahl von Tierversuchen abnimmt. Das Besondere an ihren Systemen ist eine miniaturisierte Pumpe, die dem menschlichen Herz nachempfunden ist. Angetrieben durch einen speziellen Controller, lässt sie blutähnliches Zellkulturmedium im künstlichen Gefäßnetzwerk zirkulieren. So werden die Zellen mit Sauerstoff und Nährstoffen versorgt. Die Größe des Gefäßnetzwerkes kann mithilfe mathematischer Modelle berechnet werden. Angewendet werden die mikrophysiologischen Systeme bei Partnern in Forschung und Industrie, wobei einzelne Organstrukturen in einem mikrophysiologischen System nachgebildet werden, oder auch viele Organe auf einem so genannten „Multi-Organ-Chip“ zusammen untersucht werden.
Krankheitsprozesse in der Niere nachstellen
Ein mikrophysiologisches Modell der Nierenkapillaren haben Jan Sradnick und Deborah Förster gemeinsam mit Florian Schmieder vom Fraunhofer IWS am Universitätsklinikum in Dresden entwickelt. Damit lassen sich wichtige Krankheitsprozesse der Niere ohne den Einsatz von Labormäusen nachstellen.
Derzeit entwickeln die Forscher ein komplettes zelluläres Modell der Niere. Künstliche Organe, die mit patienteneigenen Zellen bestückt werden, könnten in Zukunft auch als künstlicher Nierenersatz verwendet werden. „Das wäre eine echte Alternative zur Dialyse und zu Spenderorganen“, sagt Florian Schmieder. Bis die Vision von der künstlichen Niere und einem nachhaltigen Wechsel zu tierversuchsfreier Forschung Wirklichkeit wird, bedarf es aber noch umfangreicher Forschungsarbeiten.
Die niederländische Regierung hat im Dezember 2016 ein Strategiepapier vorgestellt und damit einen rechtlichen, gesellschaftlichen und finanziellen Rahmen zur Entwicklung von Tierersatzmodellen bis 2025 geschaffen. Die Fraunhofer-Forscher hoffen, dass auch in Deutschland zeitnah ein solch umfassender Paradigmenwechsel einsetzt.
