Mini-Mensch auf einem Chip

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Ein „Organismus“ aus Elektronik, Mikropumpen und menschlichen Zellen soll in Zukunft nicht nur Tierversuche überflüssig machen, sondern zu deutlich wirksameren Medikamenten führen.

Medizin setzt komplexe Stoffwechselvorgänge in unserem Körper in Gang, deren Wirkung und Unbedenklichkeit sich immer noch häufig in Tierexperimenten erweisen müssen. Aus politischen und ethischen Gründen, aber auch um die Verhältnisse beim Menschen realitätsnäher abzubilden, arbeiten weltweit Wissenschaftler an alternativen Methoden.

Forscher des Fraunhofer IWS und des Instituts für Biotechnologie der TU Berlin haben jetzt einen Mini-Organismus auf einem Chip im Maßstab 1:100 000 zum Menschen entwickelt. In ihm lassen sich echte menschliche Zellen aus verschiedenen Organen aufbringen, die über winzige Kanäle durch eine Mikropumpe mit flüssigem Zellkulturmedium versorgt werden.

Neu ist die Methode nicht. Harvard-Wissenschaftler am Wyss Institute arbeiten seit sechs Jahren daran, und erst letztes Jahr begann ein Startup den Organ-Chip zu kommerzialisieren. 2012 bekam das Massachusetts Institute of Technology (MIT) von der DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) und dem National Institutes of Health (NIH) 32 Millionen Dollar, um die menschliche Physiologie „nachzubauen“. Das MIT schloss sich erst vor zwei Monaten einer Initiative des Wyss Institutes für „Synthetische Biologie“ an, die auch von der Charite Berlin unterstützt wird. In den Vereinigten Staaten ist die Forschung am „menschlichen Körper auf einem Chip“ eine Frage von nationalem Interesse.

„Authentische“ Zellen im Multi-Organ-Chip

Mit dem kompakten Multiorgan-Chip (Größenvergleich Ein-Euro-Münze) und dessen drei separaten Mikrokreisläufen können Forscher die Regeneration von bestimmten Nierenzellen untersuchen. (Bild: Fraunhofer IWS)
Mit dem kompakten Multiorgan-Chip und dessen drei separaten Mikrokreisläufen untersuchen Forscher die Regeneration von Nierenzellen.
(Bild: Fraunhofer IWS)

Das Fraunhofer-System hat gegenüber bisherigen Ansätzen zwei entscheidende Vorteile: Das Mikrofluidiksystem ist extrem miniaturisiert. Die Pumpe ist in der Lage, winzigste Fördermengen von unter 0,5 Mikroliter pro Sekunde (µl/s) durch die Kanäle zu schleusen. Dadurch ist das Verhältnis zwischen Zellprobe und flüssigem Medium realitätsgetreu. Und zweitens fließt das Medium kontinuierlich durch den gesamten Kreislauf auf dem Chip. Das ist wichtig, da manche Zelltypen sich nur dann „authentisch“ verhalten, wenn sie durch eine Strömung angeregt werden.

Langsam nehmen die Human-on-Chip-Visionen Gestalt an. Dazu tragen zum einen „potente“ Interessenten wie das Militär bei. Schließlich ist frei nach Heraklit „der Krieg immer noch Vater vieler, wenn auch nicht aller Dinge“. Chemische und biologische Waffen lassen sich eben an schmerzfreien Humankopien leicht testen, und auch zukünftige humanoide Kampfroboter sollen von der neuen Technologie profitieren. Zusätzlich werden mittlerweile aber auch „relevante“ Fördermittel zur Verfügung gestellt. Aber woher Mittel und Interesse für weitere Entwicklungen auch kommen mögen – die Nager wird es freuen.

Organ-on-a-Chip (Bild Wysse Institute)

Ein Organ auf einem Chip vom Wyss-Institut - gebaut mit Hilfe von Mikrofabrikationstechnologien der Halbleiterindustrie (Bild. Wyss-Institut)