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Multiorgan-Chips sollen Tiere im Kampf gegen Krebs retten

Radiopharmaka helfen, wenn gegen einen Tumor Chemotherapie, Operation oder Bestrahlung wirkungslos geblieben sind. In mikrophysiologischen Systemen alias Multiorgan-Chips lassen sich 3D-Tumormodelle in einer realistischen Mikroumgebung kultivieren. Das kann viele Tierversuche überflüssig machen. Foto: Amac Garbe für das Fraunhofer IWS

Radiopharmaka helfen, wenn gegen einen Tumor Chemotherapie, Operation oder Bestrahlung wirkungslos geblieben sind. In mikrophysiologischen Systemen alias Multiorgan-Chips lassen sich 3D-Tumormodelle in einer realistischen Mikroumgebung kultivieren. Das kann viele Tierversuche überflüssig machen. Foto: Amac Garbe für das Fraunhofer IWS

Fraunhofer und Helmholtz Dresden bauen Mikrolabore, in denen sich strahlende Tumor-Killer besser testen lassen

Dresden, 9. Januar 2023. Moderne Multiorgan-Chips aus Sachsen sollen künftig im Kampf gegen den Krebs viele Tierleben retten, die sonst bei Experimenten geopfert werden. Dabei handelt es sich um Mikrolabore so klein wie eine Tablettenschachtel. Darinnen simulieren Mini-Organe und ein Blutkreislauf einen lebendigen menschlichen Organismus, um mikroskopisch kleine und strahlende Krebs-Suchzerstörer vor dem Einsatz am Menschen zu testen. Das geht aus einer gemeinsamen Mitteilung des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) und des Fraunhofer-Instituts für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS) Dresden hervor.

Radioliganden heften sich zielgerichtet an Tumore an

Einfache Organ-Chips sind zwar an für sich nichts Neues mehr. Aber für die Forschung an sogenannten Radioliganden, die sich an Tumore zielgerichtet anheften, um sie durch ihre strahlende Fracht zu zerstören, sind bisher noch Tierversuche üblich. Der Einsatz von Multiorgan-Chips ist hier noch Neuland. „Viele Forschungsaufgaben lassen sich derzeit nur mit Hilfe von Tierversuchen lösen“, erklärt HZDR-Expertin Dr. Wiebke Sihver. „Außerdem fehlen im Tiermodell oft wichtige Bezüge zum menschlichen Organismus.“

Florian Schmieder vom Fraunhofer-Institut IWS in Dresden überprüft den Prototyp einer Labor-Kartusche für die Blutseparation. Mit seinem Team arbeitet er daran, solche Prototypen schneller in die Großserie zu überführen. Foto: ronaldbonss.com für das IWS

Florian Schmieder vom Fraunhofer-Institut IWS in Dresden überprüft den Prototyp einer Labor-Kartusche für die Blutseparation. Foto: ronaldbonss.com für das IWS

Inzwischen vier Organe auf einem Chip simulierbar

Das soll sich nun mit den Multiorgan-Chips aus dem IWS ändern. Denn den Dresdner Fraunhofer-Ingenieuren gelingt es inzwischen, nicht nur ein einzelnenes Organoid, sondern bis zu vier Organ-ähnliche Gewebestrukturen in einem Mikrolabor wachsen zu lassen und monatelang durch einen künstlichen Blutkreislauf am Leben zu erhalten. Auch dies ist ein Novum. „In der Entwicklung von Radiopharmaka kamen Multiorgan-Chips bis dato noch nicht zum Einsatz, da besteht also großer Bedarf“, betont IWS-Gruppenleiter Florian Schmieder.

Laser baut Organismus-Simulator schichtweise auf

In der Fachsprache heißen diese Chips eigentlich „mikrophysiologische Systeme“. Das IWS erzeugt sie, indem die Forscher zahlreiche Folien übereinanderstapeln und jede einzelne Schicht mit einem Laser strukturieren. So entstanden nach und nach Röhrchen, Platz für eine Mikro-Pumpe, die das Herz nachahmt, sowie für organähnliche Strukturen, die menschlichen Organe wie Leber, Niere & Co. ähneln. Im Mini-Lab legen Laboranten spezielle Zellkulturen an, die in Summe dann einen menschlichen Organismus – wenn auch stark vereinfacht, aber zumindest auch mit Wechselwirkungen zwischen den Organen – simulieren.

Auch personalisierte Medizin auf der Agenda

Helmholtz und Fraunhofer haben sich nun in Dresden zusammengetan, um diese Technologie zur Praxisreife zu führen. Sie wollen unter anderem künstlich dreidimensionale Tumore in den Mini-Laboren erzeugen, um daran dann die strahlenden Wirkstoffe zu erproben. Später wollen sie auch die Zellen konkreter Patienten für ihre Zellkulturen für die Gewebezucht im Multiorgan-Chip nutzen, um eine maßgeschneiderte, personalisierte Medizin für jeden einzelnen Krebspatienten möglich zu machen. Für ihre Forschungsprojekt haben die Teams aus dem IWS und dem HZDR nun Bundes-Zuschüsse bekommen und erst mal bis 2024 Zeit, um vorzeigbare Erfolge zu erzielen.

Ziele: Genauere Ergebnisse, weniger Tierversuche

Letztlich hat das Forschungsprojekt „„Alternativmethoden zum Tierversuch“ also mehrere Ziele: Die Multiorgan-Chips sollen strahlende Zielsuch-Präparate für den Kampf gegen den Krebs vorbereiten, diese Medikamente auf konkrete Patienten zuzuschneiden und viele Tierversuche – die sich ohnehin selten genau 1 zu 1 auf den Menschen übertragen lassen – überflüssig machen.

1,86 Tierversuche in Deutschland im Jahr 2021

Laut dem „Deutschen Zentrum zum Schutz von Versuchstieren“ (Bf3R) wurden im Jahr 2021 in Deutschland insgesamt 1,86 Millionen Wirbeltiere und Kopffüßler –für Forschungszwecke verwendet. Das sind im Vergleich zum Vorjahr zwar zwei Prozent weniger, jedoch immer noch sehr viele, betonen die Projektpartner. „Bei knapp 80 Prozent der eingesetzten Versuchstiere handelte es sich um Nagetiere, vor allem um Mäuse und Ratten“, heißt es in einer Bf3R-Mitteilung. Für 1886 Versuche setzten Forscher Affen ein. „Menschenaffen wurden in Deutschland zuletzt im Jahr 1991 für wissenschaftliche Zwecke eingesetzt.“

Autor: Heiko Weckbrodt

Quellen: HZDR, IWS, Bf3R

Wissenschaftliche Publikation:

Wiebke Sihver, Anne-Kathrin Nitt-Weber, Stephan Behrens, Martin Ullrich, Hans-Jürgen, Pietzsch, Negin Namazian Jam, Florian Schmieder, Frank Sonntag: „Introducing micro physiological systems to evaluate new radiopharmaceuticals: A binding study with radiolabeled cetuximab“, in: Current Directions in Biomedical Engineering, im Netz hier zu finden: https://doi.org/10.1515/cdbme-2022-1136

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