Chip-basierte humane Krankheitsmodelle

Eine Alternative zu Tierversuchen?

  • Abb. 2: Foto des mikrofluidischen 3D Chondrozyten Bioreaktor-Mikroarray der 48 funktionale Mikroknorpelgewebe innerhalb von 3 Wochen züchten kann.

Tierversuche mit einem jährlichen Verbrauch von weit über 10 Millionen Versuchstieren in Europa stellen eine wichtige Säule der biomedizinischen Forschung und pharmazeutischen Risikoabschätzung dar. Trotz vieler Unsicherheiten, hoher Kosten und Reproduzierbarkeitsproblemen sind Tierversuche laut der Deklaration von Helsinki 1962 zur Beurteilung von Wirkung und Nebenwirkung im Prozess der Medikamentenzulassung noch immer verpflichtend durchzuführen. Hauptkritikpunkte hierbei sind nicht nur ethische Bedenken, sondern auch die begrenzte Vorhersagbarkeit für menschliche Testresultate, da es abhängig von der gewählten Tiergattung, massive Unterschiede in Anatomie, Organstruktur, Organfunktion, Metabolismus, chemischer Absorption als auch DNA-Reparaturmechanismen gibt, was den Nutzen dieser Modelle enorm einschränkt. Aufgrund der Tatsache, dass 9 von 10 Arzneimitteln unerwartete Nebeneffekte oder geringe Wirksamkeit in der klinischen Phase zeigen, verfehlen diese die Zulassung durch die Behörden. Dies führt zu zahlreichen Ausfällen aufgrund von Tiermodellen, wie zum Beispiel in der Krebsforschung oder bei der Arzneimittelentwicklung für amyotrophe Lateralsklerose (ALS) oder Alzheimer.

Trotz jahrzehntelanger Bemühungen seitens der Europäischen Union Tierversuche mit alternativen Testmethoden wie  Computer-Modellen, Zell- und Gewebekulturen, oder niedrigen Vertebraten und Invertebraten zu ersetzen, gibt es bisher wenige Erfolge in der Implementierung des 3R-Prinzips. Ein neuer Ansatz zur Erreichung dieser Ziele ist die Verschmelzung von komplexer humaner Biologie mit Mikrochip-Technologie, welche einen  rasanten technologischen Fortschritt im „Live-Cell-Microarray“-Feld eingeleitet hat und mittlerweile ermöglicht, menschliche Gewebestrukturen unter physiologisch relevanten Bedingungen im Scheckkartenformat zu untersuchen [1,2]. Die Erzeugung miniaturisierter Gewebe- und Krankheitsmodellen im Rahmen so genannter „Organs-on-a-Chip“-Systeme verspricht nicht nur eine Verringerung der Abhängigkeit der pharmazeutischen Industrie von Tierversuchen sondern auch einen wichtigen Fortschritt in der individualisierten Medizin durch Verwendung von patienteneigenem Zellmaterial [3].

Da diese Entwicklungen die Gesundheitsversorgung in Zukunft maßgeblich beeinflussen könnten, hat  das „council on emerging technologies" des World Economic Forum 2016 die „Organ-on-a-Chip" Technologie als eine der Top 10 „emerging technologies” präsentiert. Obwohl im Regelfall jeweils nur die kleinste funktionale Einheit (z. B. ein hunderttausendstel einer Leber) eines oder mehrere Organe im Chip kultiviert werden, gibt es tatsächlich Grund zu der Hoffnung, dass chipbasierte menschliche Miniaturorgane die Vorhersagbarkeit unerwünschter Nebenwirkungen von Medikamenten verbessern. Der größte Vorteil chipbasierter Mikrogeweben besteht darin verbesserte Krankheitsmodelle zu etablieren, die neben der komplexen genetischen Herkunft auch das Alter und ethnische Komponenten des Patienten berücksichtigen. Besonders der Durchbruch in der Stammzellentechnologie (Nobelpreis 2012 in Medizin) ermöglicht es z. B. Hautzellen von gesunden Individuen oder Patienten zu isolieren, zu reprogrammieren und in verschiedenste Zelltypen zu differenzieren, die die genetischen Eigenschaften dieser Person tragen. Diese „Patients-on-Chips“ könnten die Identifizierung der effektivsten Medikamente für verschiedenste Krankheiten wie Krebs, Herz-Kreislauf-Erkrankungen, neurologische und kognitive Erkrankungen oder (Auto) Immunkrankheiten maßgeblich erleichtern.

Weiterentwicklung der Organ-on-Chip-Technologie

Obwohl die Vorteile von Organ-on-a-Chip Systemen gegenüber Tierversuchen wissenschaftlich belegt sind [4], verzögert sich deren Durchsetzung in der pharmazeutischen Industrie aufgrund der noch begrenzten Datenlage bezüglich der Translation zum klinischen Umfeld. Die größte technologische Herausforderung bei der Weiterentwicklung von Organ-on-Chip-Technologie liegt in der weiteren Automatisierung, Miniaturisierung und Integration in bestehende industrielle Prozesse und Arbeitsmethoden. Um die Komplexität der Handhabung, Operation und Wartung von Organ-on-a-Chip Systemen zu verringern, hat sich ein Forschungsteam der Technischen Universität Wien zum Ziel gesetzt, standardisierte Chiptechnologien für die Biomedizin und personalisierte Medizin zu entwickeln. Die Forschungsgruppe entwickelt seit über 15 Jahren miniaturisierte Lebendzell-Assays, implantierbare Biosensoren und Organ-on-a-Chip Systeme, die unter anderem eine Standardisierung von in vitro Zellkulturen wie Stamm- oder Immunzellen gewährleisten sowie den Einsatz von Organs-on-Chip als Krankheitsmodelle ermöglichen. Durch den Einsatz von Mikrobearbeitungsmethoden, Lithographie, (Mikro-) Spritzguss und Heißprägeverfahren werden hoch integrierte Biochips aus Weich- und Hartpolymeren oder Glas-Polymerhybriden hergestellt, die eine Größe von etwa 1-5 cm2 haben (Abb. 1). Diese neuen mikrofluidischen Systeme müssen nicht nur kostengünstig, leicht bedienbar und weit effektiver als die derzeit üblichen Ansätze sein, sondern können unter anderem Sensoren, Aktuatoren, Ventile, Pumpen, Konzentrationsgeneratoren, Entgaser und Mikroreaktionskammern enthalten. Zurzeit wird versucht chipbasierte Mikrogewebemodelle für Parkinson, rheumatische Arthritis und Osteoarthritis sowie Nieren, Leber- und Plazentabarrieren zu entwickeln. Ziel der Krankheitsmodelle am Chip ist es, zelluläre Reaktionen unter physiologisch relevanten Bedingungen zu untersuchen, um neue Erkenntnisse über pathologische Prozesse an der Gelenkskapsel, Knorpel, Plazentaschranke und Mittelhirn zu gewinnen. In diesen Krankheitsmodellen werden entweder immortalisierte humane Gewebszelllinien oder patienteneigene Primär- und induzierte pluripotente Stammzellen verwendet. Zum Beispiel werden primäre Zellkulturen von Patienten für die Untersuchung der Entzündungsprozesse in der rheumatoiden Synovitis untersucht, um so alternative Wege für die Behandlung von entzündungsbedingter Gewebsfibrose zu finden. Ein weiteres Beispiel ist die Integration von Organoiden, die die Komplexität des Mittelhirns und genetische Variabilität verschiedener Parkinsons Patienten wiederspiegeln.

Der Gelenksknorpel als chipbasiertes Organmodel

Ein kürzlich etabliertes chipbasiertes Organmodel ist der Gelenksknorpel, ein Gewebe das auf Grund der hohen Belastungen nur eine begrenzte Regenerationsfähigkeit hat. Hierzu wurde ein mikrofluidischer 3D-Chondrozyten Bioreaktor-Mikroarray entwickelt (Abb. 2), der bereits nach 3 Wochen eine Gewebestruktur mit verblüffender Ähnlichkeit zum in vivo Knorpel von Pferden (Patient) aufweist. Insbesondere konnten die fünf Hauptmerkmale von in vivo Gelenksknorpel nachgeahmt werden einschließlich der geringen Zellularität des Gewebes, Abwesenheit von Blutgefäßen, niedrige metabolische Aktivität der Chondrozyten, eine differenzierte Zellmorphologie und ein knorpel-spezifisches Genexpressionsmuster [6]. Ein wesentlicher Bestandteil in der Rekonstruktion eines Mikroknorpelgewebes am Chip war die reproduzierbare Etablierung von physiologisch relevanten Konzentrationsgradienten und Scherkraftbedingungen, die die charakteristischen Eigenschaften der biologischen Nische ausmachen. Die kontrollierte Ausrichtung von biochemischen Gradienten innerhalb des Gewebekonstruktes sowie das Einbringen von Scherkräften führten zu einer spontanen zellulären Selbstorganisation, die wesentlich zur Bildung von nativen Knorpelzonen am Chip beiträgt. Trotz der auffälligen strukturellen Ähnlichkeiten des chipbasierten Knorpelmodells zu einem nativen Knorpelgewebe, beschränkte sich die Studie auf eine geringe Anzahl biologischer Replikate (3 Pferde) auf Grund der komplexen Gewinnung von primären Zellen in ausreichender Zahl und Qualität. Darüber hinaus stellen das Fehlen erhöhter biomechanischer Belastungen wie Kompression und Verwendung von Synovialflüssigkeit zusätzliche Einschränkungen dar, die in der vorliegenden Arbeit noch nicht behandelt wurden. Obwohl weitere Untersuchungen nötig sind, bietet die entwickelte Knorpel-am-Chip Technologie (Abb. 2) bereits die Möglichkeit das Verhalten von differenzierten Chondrozyten unter physiologischen und pathophysiologischen Zuständen zu untersuchen.

Ausblick

Abschließend kann festgestellt werden, dass der Trend nach komplexen 3D Zell- und Gewebemodellen bereits Einzug in die pharmazeutische Forschung gehalten hat und sich dadurch Möglichkeiten für den Einsatz von Organe-am-Chip ergeben. Die Zukunft von chipbasierten Organmodellen kann in den folgenden vier Bereichen als besonders hoch eingeschätzt werden und betrifft (1) die Kombination von Krankheits-Pharmakologie und Risikoabschätzung (in vitro therapeutischer Index), (2) Reduktion und Ersatz von Tierversuchen, (3) Unterstützung bei der Markteinschätzung von Biologics und Biosimilars und (4) personalisierter Medizin. Die Herausforderungen bleiben neben der unsicheren Vorhersehbarkeit und Umsetzbarkeit der Resultate auf klinische Prognosen (in vitro in vivo Translation) besonders (a) die Demonstration der physiologischen Relevanz eines komplexen Mikrogewebekonstruktes, (b) die Kosten der technologischen Komplexität, und (c) die schwierige Gewinnung primärer Zellen.

 

Autor
Prof. Dr. Peter Ertl

Kontakt
Prof. Dr. Peter Ertl

Institut für Angewandte Synthesechemie
Technische Universität Wien
Wien, Österreich
peter.ertl@tuwien.ac.at

Referenzen
[1.] Cell-Based Microarrays Methods and Protocols, Medthods in Molecular Biology, vol. 1771, doi: 10.1007/978-1-4939-7792-5_16, Springer Science+Business Meida, LLC, part of Springer Nature 2018, Editors: Ertl, Peter, Rothbauer, Mario (Eds.)
[2.] Rothbauer, M.; Zirath, H.; and Ertl, P. “Recent advances in microfluidic technologies for cell-to-cell interaction studies, 2017, Lab Chip, 2018, 18, 249 – 270
[3.] On-A-Chip Applications for Disease Modeling, Drug Discovery and Personalized Medicine', edited by Dr. Anthony Atala and Dr. Sean Murphy, (ISBN 9781498711913) by CRC Press in 2016.
[4.] Rosser, J. and Ertl, P. “Organ-On-A-Chip: Enabling Technology for Biomedical Engineering Applications,”, Cur Trends Biomed Eng Biosci, 2017, Volume 9 (2); DOI: 10.19080/CTBEB.2017.09.555756
[5.] www.outsourcing-pharma.com/Article/2016/01/06/Merck-expands-deal-with-or... www.roche.com/research_and_development/what_we_are_working_on/research_t...
[6.] Ertl, P; Jenner, F.; Rosser, J.; “CARTILAGE-ON-A-CHIP” EP 17187267.4 filed 2017

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