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Mit ihrer Pipette zeigt Katharina Schimek unter einer sterilen Werkbank auf kleine Plastik-Tubes vor ihr. In ihnen schwimmt eine rosa Flüssigkeit. Ein kleiner, heller Punkt ist darauf erkennbar: humane Zellen, die auf einer Membran wachsen. „Oben sind die Zellen trocken“, sagt Schimek. Von unten werden die Zellen mit einem Nährmedium versorgt. Im Labor der Firma Tissuse im Berliner Ortsteil Wedding kultiviert die Biotechnikerin Bronchialzellen der Luftröhre.

Diese Zellen sollen bald ein Lungenmodell werden. Es soll verstehen helfen, ob ein Aerosol Bronchialzellen schädigt. Für das Modell werden die Zellen in sogenannten mikrofluidischen Chips wachsen, die Tissuse entwickelt: Das sind transparente Boxen aus Kunststoff in der Größe einer Kreditkarte. In den Chips verbinden Kanäle, die nur wenige Mikrometer groß sind, verschiedene Kompartimente – ähnlich wie das Blutgefäßsystem. In den Kompartimenten kultivieren Forscher humanes Gewebe, das die Eigenschaften echter Organe so gut es geht simuliert. Organ-on-a-Chip nennt sich das Prinzip. 16 unterschiedliche Organmodelle auf dem Chip gelten als etabliert, unter anderem Lunge, Leber, Niere, Darm, Knochenmark, Blut-Hirn-Schranke oder Epithel [1].

In den Chips sollen die Organmodelle Bedingungen aus­gesetzt sein, die der Humanphysiologie so nah wie möglich kommen: Schwerkraft, Scherkräfte, pH-Wert, Sauerstoff­sättigung, Konzentrationsgradient, das Verhältnis von Gewebe zu Flüssigkeit [2]. Sensoren erkennen in Echtzeit, wie das Gewebe wächst und auf Testsubstanzen reagiert.

Tissuse, das Unternehmen, bei dem Katharina Schimek arbeitet, hat sich darauf spezialisiert, Organinteraktionen auf dem Chip zu simulieren. Das heißt: Eine Lunge, eine Niere oder ein Darm auf dem Chip wird mit einem oder mehreren anderen Organmodellen verbunden. Bei der Wirkstoffprüfung ist das zweite Modell oft die Leber, wie auch beim neuen Lunge-auf-dem-Chip-Modell, das gerade im Labor von Tissuse entsteht. So würde nicht nur deutlich werden, wie die Lunge auf die Testsubstanz reagiert, sondern auch auf deren Metaboliten. Meist werden zwei bis vier Organe zusammengesetzt, Tissuse selbst baut Prototypen mit bis zu elf interagierenden Organsystemen. Die Modelle sollen der pharmazeutischen Industrie bei der finalen Fragen helfen, ob ein Wirkstoff in die klinische Prüfung gehen soll oder nicht. Die Firma kooperiert mit pharmazeutischen Unternehmen wie Bayer oder Astrazeneca. Zusammen mit der Bill & Melinda Gates-Stiftung soll bald ein neues Tuberkulose-Modell-auf-dem-Chip entstehen, mit dem in Zukunft vielleicht ein Impfstoff gefunden wird.

Aus Stammzellen gereifte Organe

Aber was sind das eigentlich für Zellen, die später zu Lungen-, Leber- oder Herzmodellen werden? Autoren zahl­reicher Publikationen kultivieren in den Chips Zellen, die etwa bei einer Biopsie den Organen lebender Menschen entnommen wurden. Auch etablierte, immortalisierte Zelllinien kommen zum Einsatz.

Doch immer mehr Forscher und Unternehmen kultivieren ihr Gewebe ausgehend von Stammzellen. Hier setzt sich immer mehr die Arbeit mit sogenannten induzierten pluripotenten Stammzellen (iPSC) durch. Die iPSCs können aus somatischen – also nicht geschlechtlichen Zellen – generiert werden, etwa aus dem Bindegewebe oder aus Urinproben gewonnene Zellen. Pluripotente Stammzellen können zu jeder spezifischen Organzelle differenzieren [2, 3].

Organmodelle aus Zellen ein und desselben Spenders sind eine Grundvoraussetzung für immunkompetente Multi-­Organ-Chips, die auch Tissuse herstellt. Würde man verschiedene Organ-Modelle aus Zellen unterschiedlicher Genetik zusammensetzen, käme es zu immunologischen Reaktionen, vergleichbar mit Abstoßungsreaktionen nach einer Organtransplantation. Gleichzeitig bietet die Arbeit mit den induzierten pluripotenten Stammzellen Potenzial für die personalisierte Medizin: Die Möglichkeit, aus Stammzellen patientenspezifische Zellen auf dem Chip zu kultivieren und zu testen, könnte dazu führen, dass bald klarer wird, welche Menschen auf bestimmte Therapien ansprechen und bei welchen schwere Nebenwirkungen auftreten.

Die Techniken der Kultivierung werden ständig weiterentwickelt. Spezielle 3D-Gerüste sollen Zellen dazu bringen, zu immer spezifischerem Gewebe zu differenzieren. Trotzdem kann bis heute kein Modell alle physiologischen Funktionen eines Organs abbilden [2, 7].

Wofür eignen sich die Modelle?

Schätzungsweise gelangen 10% neuer Wirkstoffkandidaten, die präklinisch getestet werden, in eine klinische Studie. Doch bei 40% dieser Kandidaten stellt sich heraus, dass die vormals nach umfangreichen Zellkultur- und Tierversuchen gewonnenen Informationen nicht auf den Menschen übertragbar sind [1]. So wird nur ein Bruchteil der Wirkstoffkandidaten zum zugelassenen Arzneimittel, viel Geld geht dabei verloren.

In der Tendenz werden die Tierversuche nicht besser für die Prüfung moderner Therapien. Das trifft insbesondere auf Zell- und Gentherapien zu, sagt Reyk Horland, Biotechniker und Geschäftsführer von Tissuse. „Es wird immer schwerer, eine Maus oder andere Tiere so umzugestalten, dass es auf eine humanspezifische Therapie eine Antwort geben kann.“

Er und andere Organ-on-a-Chip-Forscher wollen die Medikamentenentwicklung schneller machen – und günstiger. Wenn die Regulierungsbehörden die Versuche anerkennen, sollen sie viele Tierversuche ersetzen. Die Modelle beantworten einerseits Fragen zur Pharmakokinetik, sprich, wie ein Wirkstoff absorbiert, verteilt, metabolisiert und eliminiert wird. Andererseits lassen sie Rückschlüsse auf die Pharmakodynamik zu, also welche pharmakologischen Wirkungen ein Stoff in Interaktion mit humanem Gewebe entfaltet. Neben Fragen zur Pharmakokinetik und -dynamik setzen Forscher die Modelle für die Grundlagenforschung ein, etwa um das Krebswachstum und die Signalwege spezifischer Tumorarten zu verstehen.

Mit Tumorzellen in Multi-Organ-Chips kann nachverfolgt werden, wie sich zirkulierende Tumorzellen ausbreiten und in anderen Geweben verändern. Obwohl die Technik noch in ihren Anfängen steckt, wird mithilfe der Modelle viel geforscht. Die Studiendatenbank Pubmed Central listet bis heute weit über 5000 Artikel, die sich auf die Organ-on-a-Chip-Technologie beziehen. Seit 2016 landen jährlich über 500 neue Publikationen zu den Modellen auf der Datenbank [3].

Nächster Schritt: Validierung

„Viele Forschungsgruppen sind daran interessiert, neue Systeme und Techniken zu entwickeln und zu zeigen, dass Dinge gehen“, sagt Stephan Reichl. Der Pharmazeut bekleidet die Professur für pharmazeutische Technologie und Biopharmazie an der Technischen Universität Braunschweig. Er selbst forscht seit Jahren mit Organ-on-a-Chip-Systemen, etwa um die Bioverfügbarkeit bestimmter Arzneistoffe zu verbessern. „Es reicht nicht, zu zeigen, dass Dinge gehen“, sagt er. Forscher müssten auch daran denken, wie die Methoden in die Anwendung kommen können. Gegenüber Zulassungsbehörden wie der US-amerikanischen Food and Drug Administration (FDA) oder der Europäischen Arzneimittelagentur (EMA) müssen Forscher und Unternehmen nachweisen, dass die Modelle valide und reproduzierbar sind. Werden am Ende Patienten und Verbraucher gefährdet, weil sich die Ergebnisse aus dem Modell nicht auf den Menschen übertragen lassen?

Bei Stephan Reichls Forschung zur Bioverfügbarkeit ist die Validität vergleichsweise leicht prüfbar, erklärt er: Diffusionsbarrieren werden auf dem Chip simuliert und geprüft, ob sie dieselben Eigenschaften wie beim Menschen aufweisen. Bei Wirksamkeits- und Toxizitätsstudien ist dieser Schritt weniger leicht überprüfbar. Doch er könnte zum Beispiel gelingen, indem In-vitro-Daten auf dem Chip später mit den Ergebnissen aus klinischen Studien abgeglichen und daraus mathematische Modelle entwickelt werden.

Noch sind die Modelle in der Regel weniger gut validiert wie Tier- oder viele Zellkulturmodelle [1]. Das bedeutet auch, dass viele Forschungsgruppen für ihren Versuch zunächst nachweisen müssen, dass ihre Ergebnisse aus dem Modell auf lebende Organismen übertragbar sind. Das kostet Geld und Zeit. Für eine Validierung, die auch von der US-amerikanischen Arzneimittelbehörde FDA, und der europäischen EMA und Co. anerkannt wird, müssten Versuche unter denselben Bedingungen wohl viele hunderte Male wiederholt werden.

„Den finalen Schritt der Validierung überlassen Drittmittelgeber in der Regel Firmen“, sagt Stephan Reichl. Das kann aber von Start-up-Unternehmen nicht ohne Weiteres geleistet werden, sagt er. „Die größte Herausforderung wird sein, Geld für diese Forschung zu akquirieren.“

Ein wichtiger ethischer Vorteil der Organ-Modelle ist, dass sie nicht spüren, denken oder leiden können. Die Initiatoren der europäischen Bürgerrechtsbewegung „Save cruelty free cosmetics“ setzt sich gegen Tierversuche ein. Bis zum August 2022 sammelte die Bewegung mehr als 1,2 Millionen Stimmen. Eine der Forderungen: Die EU soll einen Plan vorlegen, Tierversuche schrittweise aus der Forschung zu verbannen. Im März 2023 trafen sich die Initiatoren mit der Europäischen Kommission. Das EU-Parlament wird die Bürgerinitiative öffentlich anhören, zuletzt muss sich die Kommission formell dazu äußern [4, 5]. Aber ist das Organ-on-a-Chip-Modell die passende Alternative zum Tierversuch? „In der Präklinik, wo es um die Bestimmung pharmakokinetischer Parameter geht – da bin ich überzeugt, dass man das schafft, in den nächsten Jahren Tierversuche zu reduzieren“, meint der Pharmazeut Stephan Reichl. Er gibt jedoch zu bedenken: Viele Versuchstiere werden in der Grundlagenforschung eingesetzt. Ob und welche alternativen Modelle sich eignen, unterscheidet sich von Anwendung zu Anwendung.

Hinzu kommt: Ersetzen können die Methoden Tierversuche erst, wenn die Arzneimittelzulassungsbehörden sie als gleichwertig oder überlegen anerkennen. Dafür sei eine Finanzierung nötig, sagt auch Tissuse-Chef Horland. „Das ist ein ganz anderes Level an Qualität, die dafür bei den Modellen dahinterstecken muss.“ Dafür braucht es nicht nur viel Geld und Zeit, in der Forscher die Methoden weiter­entwickeln und mit den Behörden abstimmen. Auch die Behörden untereinander müssten zusammenarbeiten, sagt Horland: Erst, wenn Arzneimittelhersteller wissen, dass ihr Arzneimittel, das mit der alternativen Zulassungsmethode präklinisch untersucht wurde, in Europa, den USA, in China und Japan zugelassen werden kann, würden viele Tier­versuche wegfallen.

Die ersten Bemühungen gibt es. Vor wenigen Monaten gewährte die FDA Alternativen zum Tierversuch mehr Spielraum. Im Dezember 2022 setzte die Biden-Regierung den FDA Modernisation Act 2.0 in Kraft. Die Regelung ermöglicht bei der Arzneimittelzulassung Alternativen zu Tier­versuchen vorzulegen, sobald diese gleichwertig sind. Eine Neuheit: Seit 1938 musste in den USA jedes neu zugelassene Arzneimittel zuvor an Tieren getestet werden [6].

Organ-on-a-Chip-Modelle aus dem Automaten

Neben der Validierung der Methoden ist auch die Reproduzierbarkeit noch ein Problem, an der Organ-on-a-Chip-Forscher und -Hersteller arbeiten. Einer der variabelsten Schritte bei der Entwicklung der Modelle ist die Kultivierung der Zellen [7]. Doch bei vielen Publikationen zu den Modellen fehlen grundlegende Informationen zur Kultivierung. Autoren eines technischen Guides der Organ-on-a-Chip-Technologie schreiben: Die Variabilität der Methoden würde signifikant sinken, wenn die vollständigen Arbeitsprozesse konsequent publiziert und befolgt werden würden [2].

Eine bessere Reproduzierbarkeit könnte zum Beispiel gelingen, indem man die Organ-on-a-Chip-Kultivierung und Prüfung automatisiert [1, 7]. Ein automatisierter Prozess würde helfen, viele Organ-on-a-Chip-Modelle gleichzeitig zu kultivieren. Die erhöhte Durchsatzrate könnte zugleich die Validierung der Methoden beschleunigen [8].

Zurück im Labor der Firma Tissuse demonstriert Reyk Horland eine solche automatisierte Organ-Chip-Plattform, die sein Unternehmen anbietet: ein großer Kasten, so groß wie zwei nebeneinanderstehende Kühlschränke. Der mittlere Teil, durch den ein Roboterarm fahren kann, ist transparent. Hier kultiviert der Roboter die Organ-on-a-Chip-Modelle, und zwar bis zu 24 Chips gleichzeitig.

„Der Roboter ist in der Lage, die einzelnen Kompartimente anzusteuern, zu öffnen, Medium zu wechseln, Substanzen zu applizieren, Proben zu nehmen und zu lagern“, erklärt Horland. „Unter den Chips befindet sich ein Mikroskop. Das kann während des Versuchs zu allen Positionen an die Chips fahren, Bilder machen und damit Bewegungen von Zellen und morphologische Veränderungen von Gewebemodellen verfolgen.“ Viele der Versuche dauern einen Monat, indem die Maschine eine riesige Menge an Daten produziert. Für den Menschen sind sie kaum auswertbar, für Algorithmen aber schon. Insbesondere für solche, die auf künstlicher Intelligenz beruhen. „Über das maschinelle Lernen können wir dem Gerät beibringen: Wenn die Zelle sich von heute auf morgen so verändert, habe ich einen potenziell toxischen Effekt“, sagt Horland.

Klinische Studien auf dem Chip?

Durch die automatisierte Kultivierung und Auswertung der Daten erhofft sich Horland den nächsten großen Schritt der Organ-on-a-Chip-Technologie: klinische Studien der Phase I, vielleicht sogar der Phase II auf dem Chip. „Wenn man die Systeme weiterentwickelt, sind wir in der Lage, On-Chip-­Clinical-Trials zu fahren“, sagt Horland.

Mit der Maschine könnten die Organ-Modelle von Patienten kultiviert werden, aus deren Gewebespenden die Forscher pluripotente Stammzellen generierten. „Das alles, was man eigentlich über einen langen Rekrutierungsprozess in klinischen Phasen macht, können wir in der Zukunft als Daten auf dem Chip erheben“, sagt der Tissuse-Chef. Horland schätzt, dass in den nächsten fünf bis zehn Jahren die ersten Studien zu On-Chip-Clinical-Trials vorliegen.

Mit dieser Einschätzung ist Horland nicht allein. Im Journal „Nature Review Genetics“ schrieb der an der Harvard University forschende Biotechniker Donald Ingber in einem Review zu Organ-Chips: „Wenn humane Organ-Chips Tierversuchen überlegen sind, könnten sie genutzt werden, um personalisierte Therapien für individuelle Patienten auszuwählen. Das könnte das Design klinischer Studien revolutionieren.“

Der Pharmazeut Stephan Reichl hingegen ist skeptisch, ob klinische Prüfungen auf dem Chip so schnell gelingen werden. „Ich bin davon überzeugt, dass die Modelle unsere Zukunft prägen werden. Ob man damit klinische Studien ersetzen kann – da habe ich im Moment noch meine Zweifel.“

Denn die Organ-on-a-chip-Systeme könnten die Komplexität des menschlichen Organismus noch nicht realistisch abbilden. „Ob man das doch eines Tages kann, vermag ich nicht zu urteilen“, sagt Reichl. Realistischer für ihn ist die Prognose: Ein bedeutender Teil präklinischer Arzneimittelstudien wird in fünf bis zehn Jahren nicht mehr an Tieren, sondern auf dem Chip durchgeführt. |