Durchblutete Organe auf dem Chip

Entwicklung eines vaskularisierten Organ-on-Chip System

  • Abb. 1: Herstellungsprozess des vasQchips. Aus einer Polycarbonatfolie wird durch die SMART-Technologie ein runder, poröser Mikrokanal erstellt. Dieser wird durch Laserschweißen mit einem Chip verbunden und mit einem Deckglas verschlossen. Der Chip kann über standardisierte Anschlüsse mit verschiedenen Pumpen für mikrofluidische Anwendungen verbunden werden und ist mikroskopierbar.Abb. 1: Herstellungsprozess des vasQchips. Aus einer Polycarbonatfolie wird durch die SMART-Technologie ein runder, poröser Mikrokanal erstellt. Dieser wird durch Laserschweißen mit einem Chip verbunden und mit einem Deckglas verschlossen. Der Chip kann über standardisierte Anschlüsse mit verschiedenen Pumpen für mikrofluidische Anwendungen verbunden werden und ist mikroskopierbar.
  • Abb. 1: Herstellungsprozess des vasQchips. Aus einer Polycarbonatfolie wird durch die SMART-Technologie ein runder, poröser Mikrokanal erstellt. Dieser wird durch Laserschweißen mit einem Chip verbunden und mit einem Deckglas verschlossen. Der Chip kann über standardisierte Anschlüsse mit verschiedenen Pumpen für mikrofluidische Anwendungen verbunden werden und ist mikroskopierbar.
  • Abb. 2: Der vasQchip ist ein vaskularisiertes Organ-on-Chip System mit einem runden, porösen Mikrokanal. Durch Kultivierung von Endothelzellen unter fluidischen Bedingungen können im Vergleich zu rechteckigen Kanälen physiologischere Ergebnisse erzielt werden. Durch Anpassung der Porengrößen kann der Chip individuell an das zu entwickelnde Organ angepasst werden.
  • Abb. 3: Im vasQchip wurden bereits verschiedene Organmodelle entwickelt. Durch Kombination verschiedener Organmodelle kann der Mensch auf dem Chip nachgebildet werden.

Trotz ständiger Fortschritte im Bereich der kombinatorischen Synthese zur schnellen Generierung von mehreren tausend Wirkstoffkandidaten, gibt es heutzutage für viele Krankheiten noch immer keine Behandlungen. Die Herausforderung bei der Entwicklung neuer Medikamente ist daher nicht die Anzahl der Wirkstoffkandidaten, sondern das Wirkstoffscreening, also das Testen der Wirkstoffkandidaten auf Toxizität, Nebenwirkungen und Wirksamkeit. Dieses erfolgt in einem mehrstufigen, langwierigen Verfahren, sodass von der Synthese bis zu einer Marktzulassung des Medikaments letztlich 12-15 Jahre vergehen können. Darüber hinaus ist die Entwicklung eines einzigen Medikaments mit 1-2 Milliarden Euro sehr kostenintensiv. Ein vielversprechender Ansatz, die Entwicklungszeit zu verkürzen, Kosten und Tierversuche zu reduzieren und darüber hinaus die Medikamentenentwicklung sicherer zu machen, bieten Organ-on-Chip Systeme. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) wurde der vasQchip entwickelt, ein vaskularisiertes Organ-on-Chip System. Diese Entwicklung wird nun vom KIT Ausgründungsprojekt vasQlab zur Marktreife gebracht.

Bei der Medikamentenentwicklung werden die verschiedenen Wirkstoffkandidaten zunächst in einfachen 2D-Zellkulturen getestet, um toxische Verbindungen auszuschließen. Die verbleibenden Kandidaten werden daraufhin in Tierversuchen hinsichtlich Toxizität und Wirksamkeit weiter untersucht. Die vielversprechenden Kandidaten werden schließlich in der klinischen Phase am Menschen getestet. Aus anfänglich mehreren zehntausend Verbindungen wird letztendlich nur eine einzige als Medikament zugelassen. Doch woran liegt dies?

Die zu Beginn der Entwicklung eingesetzten 2D-Zellkulturen sind zwar einfach zu handhaben, reproduzierbar und vergleichsweise günstig, jedoch sind sie nicht organotypisch, da in Lebewesen die meisten Zellen dreidimensional (3D) angeordnet sind und mit anderen Zelltypen sowie einer extrazellulären Matrix in Kontakt stehen. Neben der reinen 3D-Anordnung spielen auch die Versorgung mit Nährstoffen über die Blutbahn, das Immunsystem und die mechanischen Parameter bei der korrekten Ausbildung und Funktion eines Gewebes eine Rolle. In den folgenden Tierversuchen ist dies zwar gegeben, allerdings sind die Ergebnisse aus Tierversuchen nicht immer direkt auf den Menschen übertragbar, da sich die Reaktionsabläufe häufig grundlegend unterscheiden.

Eine Brücke zwischen 2D-Zellkulturen und den Tierversuchen schlägt das Tissue Engineering und insbesondere die Organ-on-Chip Technologie. Hierbei werden Zellen in einer organotypischen, physiologischeren 3D-Umgebung kultiviert, um funktionelle Ersatzgewebe zu entwickeln, die die Untersuchung organspezifischer Experimente in vitro erlauben. Durch die Verwendung humaner Zellen sind die Ergebnisse aus diesen Versuchen einfacher auf den Menschen übertragbar. Organ-on-Chips bieten die Chance, Tierversuche zu verringern und die klinische Phase für den Menschen sicherer zu machen, da in einem frühen Stadium der Medikamentenentwicklung bereits toxische oder unwirksame Kandidaten sicherer aussortiert werden können. Neben der Pharmaindustrie bietet sich auch ein Einsatz von Organ-on-Chips in der Kosmetikindustrie oder bei der Registrierung, Evaluierung und Autorisierung von Chemikalien (REACH) an.

Ein vaskularisiertes Organ-on-Chip System

Der Fokus der heutigen Forschung richtet sich aus diesem Grund neben einzelnen Organen auf dem Chip auf die Nachbildung ganzer miniaturisierter Multiorgansysteme. Menschliche Zellen werden dabei dreidimensional, z. B. in Hydrogelen in mikrofluidischen Chips kultiviert, die kleinste funktionelle Einheiten der entsprechenden Organe darstellen.

Der hier vorgestellte Chip besteht aus einem künstlichen, mikrofluidischen Blutgefäßsystem aus porösen, halbrunden Mikrokanälen, und einer umgebenden Kammer zur Kultivierung dreidimensionaler, miniaturisierter Organe. Hergestellt wird der Chip mit der SMART-Technologie (Substrate Modification and Replication by Thermoforming). Dazu werden mit Schwerionen beschossene, ultradünne Polymerfolien durch Thermoformen zu Mikrokanälen geformt. In einem anschließenden Ätz-Prozess werden aus den latenten Ionenspuren, Poren generiert. Durch diese Poren kann das umliegende Gewebe durch den Kanal mit Nährstoffen versorgt werden [1].

Runder Mikrokanal

Durch das Thermoformverfahren erhält der Chip seinen einzigartigen halbrunden Querschnitt des Mikrokanals, der die Form eines natürlichen Blutgefäßes deutlich besser widerspiegelt als eckige Kanalformen. Dass die Nachahmung dieser Form entscheidend für die Erzeugung physiologischer Bedingungen ist, wurde mehrfach gezeigt. Wichtig für die korrekte Polarisierung der Blutgefäßzellen, und der Expression vieler Membranproteine sind die mechanischen Kräfte, die im Blutgefäß auf die Zellen wirken.

Wie die Simulation von eckigen und halbrunden Kanälen zeigt, sind die Scherkräfte in halbrunden Kanälen gleichmäßiger über den Kanalquerschnitt verteilt während sie in einem eckigen System an den Flächen deutlich größer sind.

Anpassbare Porengrößen

Die oben beschriebene Technologie erlaubt darüber hinaus die Anpassung des Chips an die Diffusionsbedingungen in verschiedenen Organen. Im menschlichen Körper befinden sich an der Grenzfläche zwischen Blut und umliegendem Gewebe biologische Barrieren, die dazu dienen, eine physiologisch korrekte Funktion der Organe zu gewährleisten. Je nach Organ sind diese Barrieren unterschiedlich dicht. Während im Gehirn die sogenannte Blut-Hirn-Schranke eine dichte und fast unüberwindbare Barriere zwischen Blutgefäß und Gehirn bildet, zeichnen sich die Blutgefäße der Leber und Niere durch ihre Fenestrierung, also größere Öffnungen in der Zellschicht, aus, die dem Stofftransport und sogar dem Einwandern ganzer Zellen dienen.

Durch die unterschiedlichen Arten an Blutgefäßzellen, den Endothelzellen, sind auch verschiedene Anforderungen an das Organ-on-Chip System gegeben. Im Chip können die Poren des Mikrokanals durch Variation der Ätz-Bedingungen in ihrer Größe und Form an dem entsprechenden fenestrierten oder dichten Endothel angepasst werden [2].

Modellsysteme auf Basis humaner Zellen: Blut-Hirn-Schranke

Ein sehr gut etabliertes System für ein dichtes Endothel ist, wie bereits oben erwähnt, die Blut-Hirn-Schranke (BBB). Diese dient im Gehirn als dichte und selektive Barriere für einen geregelten Stoffaustausch, um das Gehirn vor möglichen schädlichen Einflüssen zu schützen und eine geeignete Mikroumgebung für eine korrekte Hirnfunktion aufrechtzuerhalten. Die Dichtigkeit der BBB wird dabei hauptsächlich durch eine komplexe dreidimensionale Anordnung von Endothelzellen, den Bindegewebszellen (Perizyten), die die Blutgefäße ummanteln und den hirnspezifischen Gliazellen (Astrozyten) induziert und aufrechterhalten. Die Astrozyten bilden dabei die Grenzfläche zu den Nervenzellen, die neben den Blutgefäßen die größte Masse des Hirns ausmachen. Durch ihre Dichtigkeit verhindert die BBB nicht nur den Eintritt von Schadstoffen, sondern auch von Medikamenten ins Gehirn, was die Behandlung von Erkrankungen stark erschwert. Und selbst wenn ein Medikament an den Wirkungsort transportiert werden kann, ist eine direkte Untersuchung der Wirksamkeit und des Wirkmechanismus am Menschen nur schwer realisierbar. Durch die Rekonstruktion einer funktionellen, menschlichen BBB und eines durchbluteten Hirngewebes ist es mit dem Chip nicht nur möglich, die Durchlässigkeit verschiedener Wirkstoffe und deren Wirkung in vitro zu untersuchen, sondern auch Metastasierungsprozesse zu erforschen.

Neben dem BBB/Hirn-Modell werden zurzeit in Kooperation mit Kliniken und akademischen sowie industriellen Partnern vaskularisierte Organmodelle, wie humane Haut-, Leber- bzw. Nieren-Modelle entwickelt.

Hochdurchsatzfähig

Um die pharmakologischen Parameter einer großen Anzahl potentieller Wirkstoffe in solchen humanisierten Organ-on-Chips in automatisierter Form zu testen, ist eine Automatisierung der Testbedingungen essenziell. Durch einen einfachen Aufbau ist eine Massenproduktion des hier vorgestellte Chips als Einwegprodukt möglich. Durch die günstigen Herstellungskosten und einfache Handhabung ist er nicht nur für Hochdurchsatz-Screenings in der Medikamentenentwicklung geeignet, sondern lässt sich durch die Kompatibilität zu üblichen Pumpensystemen in jeder Laborumgebung für die Grundlagenforschung etablieren.

Fazit

Der Bedarf an geeigneten Testsystemen für die Medikamentenentwicklung ist groß. Neben der Verwendung humaner Zellen ist eine Hochdurchsatzfähigkeit von enormer Bedeutung für die Pharmaindustrie. Diese beiden Vorteile vereint der vasQchip.

Autoren
Christoph Grün1, Rebecca Pfister1, Sonja Haase1 und Ute Schepers1

Zugehörigkeit
1Institut für Toxikologie und Genetik-Institut für Angewandte Biowissenschaften, KIT-Karlsruher Institut für Technologie, Karlsruhe, Deutschland

Kontakt  
Prof. Dr. Ute Schepers

Institut für Toxikologie und Genetik-Institut für Angewandte Biowissenschaften
KIT-Karlsruher Institut für Technologie
Karlsruhe, Deutschland
Ute.schepers@kit.edu

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Interview: Quo Vadis Organchip

Referenzen:

[1] S. Giselbrecht, I. Hebeiss, U. Schepers, R. TruckenmueIIer, Google Patents, 2013.
[2] V. Kappings, C. Grün, D. Ivannikov, I. Hebeiss, S. Kattge, I. Wendland, B. E. Rapp, M. Hettel, O. Deutschmann, U. Schepers, Advanced Materials Technologies 2017.
 

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KIT-Karlsruher Institut für Technologie
Hermann von Helmholtz-Platz 1
76021 Karlsruhe
Deutschalnd
Telefon: +49 721 608 23444

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