Mikrophysiologische Systeme: Ethisch korrekt und höchst realitätsnah

Interview mit Dr. Udo Klotzbach und Florian Schmieder, Mikrotechnik, Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS

02.05.2017

Niemand möchte den Segen der modernen Medizin missen. Aber trotz allen Forstritts gibt es immer noch einen Wermutstropfen: Tierversuche. Die sind jedoch aus vielerlei Gründen umstritten. Zum einen sind sie ethisch fragwürdig, zum anderen ist die Übertragung der Ergebnisse auf den Menschen nicht immer korrekt. Eine Alternative bieten die mikrophysiologischen Systeme des Fraunhofer IWS.

Bild: Florian Schmieder; Copyright: Fraunofer IWS

Florian Schmieder; © Fraunhofer IWS

Im Interview mit COMPAMED.de erklären Dr. Udo Klotzbach und Florian Schmieder wie diese funktionieren, welche Vorteile sie gegenüber Tierversuchen haben und welches Potential sie in sich tragen.

Herr Schmieder, am Fraunhofer IWS werden als Alternative zu Tierversuchen mikrophysiologische System entwickelt. Worum handelt es sich dabei?

Schmieder: Die mikrophysiologischen Systeme sind eine kleine, technische Abbildung der Grundfunktionen des menschlichen Körpers. Darin werden spezifische Zellen oder Gewebe einzelner Organe oder Organverbünde kultiviert. Damit die Zellen ihrer Funktion wie im menschlichen Körper nachkommen, werden Eigenschaften, die der Körper bereitstellt, technisch umgesetzt. Das kann die Temperaturregulierung, gewisse Drücke oder Strömungen, die an verschieden Stellen herrschen oder auch die Versorgung mit Blut sein. Damit wird den Zellen eine physiologische Umgebung, wie im menschlichen Körper, geboten.

Bild: Dr. Udo Klotzbach; Copyright: Fraunhofer IWS

Dr. Udo Klotzbach; © Fraunhofer IWS

Warum benötigt man eine Alternative zu Tierversuchen?

Klotzbach: Zum einen sind es natürlich ethische Gründe – das Recht der Tiere –, die Alternativen verlangen. Zum anderen können die Tierversuche, die in den Laboren der Pharma- oder Medizintechnikunternehmen durchgeführt werden, niemals eins zu eins auf den Menschen übertragen werden. Man stößt hierbei zwangsläufig an Grenzen. Da muss man andere Methoden finden. Und da bieten die mikrophysiologischen Systeme eine gute Möglichkeit.

Was kann damit nachgebildet werden?

Schmieder: Prinzipiell haben wir einen relativ breiten Baukasten an Tools. Damit versuchen wir verschiedenste Funktionen zu emulieren und das Original so ähnlich wie möglich nachzubilden. Je nachdem, welche Zellen man im System kultiviert, kann man im Prinzip jedes Organ nachbilden, allerdings nicht in seiner vollen Komplexität. Die Biologen und Mediziner, mit denen wir kooperieren, haben zum Teil sehr spezifische Fragestellungen. Und wir möchten ihnen genau das zur Verfügung stellen, was sie brauchen. Außerdem ist es nicht immer das Ziel, das komplette Organ in seiner vollen Komplexität nachzubauen. Häufig steigen mit einem komplexeren Test auch die Kosten. Außerdem kann man dann keine so große Parallelität realisieren. Das heißt, auf der einen Seite sollen die Organe so komplex wie möglich nachgebaut werden, aber auf der anderen Seite sollten sie auch so günstig und massentauglich wie möglich sein. Aus diesem Grund ist es nicht immer erforderlich, alle physiologischen Eigenschaften, die der menschliche Körper normalerweise besitzt, exakt nachzubilden. Vielmehr ist die Fragestellung von Bedeutung, diese muss abgebildet werden.

An uns werden die unterschiedlichsten Fragestellungen herangetragen, wie zum Beispiel die tierversuchsfreie Substanztestung. Andere Fragen finden sich in der Grundlagenforschung. Dort soll beispielsweise erforscht werden, wie die verschiedenen Zelltypen des menschlichen Körpers miteinander interagieren und wie bestimmte Signalkaskaden funktionieren.

Woraus bestehen diese "künstlichen Mini-Organismen"?

Schmieder: Sie sind aus Plastefolien aufgebaut, die mit einem Laser strukturiert werden können. Auf diese Weise erhalten die Folien gewisse Funktionen. Innerhalb der Plastefolien können wir funktionale, aktive Elemente realisieren, wie zum Beispiel eine Pumpe, die das menschliche Herz abbildet. Daneben gibt es noch andere funktionale Elemente, wie zum Beispiel ein Oxygenator, der ähnlich wie eine Lunge funktioniert.

Wie funktioniert das mikrophysiologische System?

Schmieder: Das, was den Chip im Prinzip am Leben hält und was wir als Ingenieure umsetzen, sind Pumpen beziehungsweise Ventile. Das Leben hauchen ihnen dann die Kooperationspartner ein – Biologen, Mediziner, Chemiker.

Klotzbach: Unsere Aufgabe ist es, das Design des Chips gemäß einer Fragestellung zu entwickeln. Wenn beispielsweise die Interaktion zwischen einer pharmakologischen Substanz und der Leber untersucht werden soll, dann überlegen wir uns, was der zugehörige Chip sinnvollerweise beinhalten und wie er aufgebaut sein soll. Nun kann in eines der Reservoire auf dem Chip – mehrere sind möglich – Leberzellen hinzugefügt werden. Mittels kleiner Kanäle wird mithilfe einer Mikropumpe durch dieses mikrofluidische System Blut gepumpt – die Simulation des menschlichen Blutkreislaufs. Die zu testende Substanz kann nun dem Kreislauf hinzugefügt werden. Durch die aktive Komponente, die Mikropumpe, wird der Wirkstoff mit dem Blut verdünnt und durch die Leber geleitet. Ganz so wie im menschlichen Organismus. Der Vorteil ist, dass der gesamte Aufbau transparent ist. Das bedeutet, dass man die Zellen beispielsweise unter dem optischen Mikroskop beobachten kann.

Bild: Chip mit zwei separaten Mikrokreisläufen. Daneben als Refrenzgröße eine Ein-Euro-Münze; Copyright: Fraunhofer IWS

Chip mit zwei separaten Mikrokreisläufen in Aufnahmevorrichtung. Pro Kreislauf je eine Mikropumpe und zwei Zellkulturkammern; © Fraunhofer IWS

Wie weit sind Sie in der Forschung? Gibt es bereits konkrete Anwendungsmöglichkeiten?

Schmieder: Im Bereich der Nephrologie haben wir einen Partner, mit dem wir schon relativ lange zusammenarbeiten. Mit ihm versuchen wir die verschiedenen Komponenten der Niere auf einem Chip abzubilden. Mit unterschiedlichen Chipdesigns können wir die einzelnen funktionalen Komponenten der Niere darstellen. Im Prinzip ist die Niere aus verschiedenen biologischen Barrieren aufgebaut. Diese Funktionsweise der Niere stellen wir auf solch einem Chip nach. Dadurch können wir gezielt nierenspezifische Fragestellungen in Kooperation mit dem Partner beantworten.

Welche Möglichkeiten sehen Sie für die mikrophysiologischen Systeme in der Zukunft?

Schmieder: Zum einen denke wir, dass sich das Feld sehr stark ausbauen wird, auch weil Tierversuche rein rechtlich zum Teil mit Strafen belegt sind beziehungsweise reduziert werden sollen. Zum anderen liegt der Vorteil der Systeme in der Modellgenauigkeit. Wir denken, dass die Systeme in naher Zukunft sowohl in der wissenschaftlichen Forschung als auch in der Medikamententestung massiv zum Einsatz kommen werden. Und wir hoffen natürlich auch, dass gerade in Deutschland die Förderung stärker forciert wird, sodass man wesentlich zielstrebiger dahingehend arbeitet, den menschlichen Organismus in all seiner Komplexität im mikrophysiologischen System zu realisieren.

Foto: Olga Wart; Copyright: Rolf Stahl

© Rolf Stahl

Das Interview führte Olga Wart.
COMPAMED.de