Kann Orgel

Mit der Anmeldung stimmen Sie unseren Nutzungsbedingungen und Richtlinien zu. Sie können sich jederzeit abmelden.

Was passiert, wenn Mikrotechnik und Biologie zusammenkommen? Wir bekommen Organ-on-a-Chip (OOC).

Organ-on-a-Chip ist eine einzigartige und innovative Technologie, die darauf abzielt, die Struktur und Funktion von Geweben und Organen auf einem Miniaturgerät oder Chip nachzubilden. Das Gewebe oder Organ selbst kann entweder künstlich oder auf natürliche Weise erworben werden und wird in einem Mikrofluidik-Chip gezüchtet.

Diese Technologie verspricht, die biomedizinische Forschung zu revolutionieren und eine Alternative zu herkömmlichen Tierversuchen zu bieten. Allerdings steckt die Forschung zu dieser Technologie noch in den Kinderschuhen.

Tierversuche werden seit langem in der wissenschaftlichen Forschung sowie bei Kosmetiktests und der Arzneimittelentwicklung eingesetzt. Aufgrund des Leids und der Schäden, die den Tieren zugefügt werden, wirft dies jedoch erhebliche ethische Bedenken auf.

Wynn Institute/Harvard University

Da die Physiologie von Mensch und Tier nicht identisch ist, gibt es außerdem Einschränkungen bei der Verwendung von Tiermodellen für den Menschen. Diese Diskrepanz kann zu Problemen bei der Vorhersage der Wirksamkeit und Sicherheit von Produkten führen.

Die eigentliche Frage lautet nun: Ist die OOC-Technologie ein besserer Ersatz für Tierversuche und kann sie die Arzneimittelentwicklung beschleunigen?

Hier untersuchen wir die Möglichkeiten des Einsatzes der OOC-Technologie zu Testzwecken, wohin die technologische Entwicklung in diesem Bereich geht und welche Einschränkungen den Fortschritt behindern.

Die OOC-Technologie integriert Mikrotechnologie, Biologie und technische Prinzipien, um funktionelle Gewebemodelle zu erstellen. Diese Chips bestehen typischerweise aus transparenten Materialien und bestehen aus mikrofluidischen Kanälen, die mit lebenden Zellen ausgekleidet sind.

Die Herstellung von OOC-Geräten umfasst typischerweise die Herstellung des Chips mithilfe von Mikrofabrikationstechniken, gefolgt von der Vorbereitung von Zellkulturen, die dann in die Mikrofluidikkanäle des Chips integriert werden.

Mikael Häggström, MD/Wikimedia Commons

Sobald die Probe fertig ist, wird eine dynamische Umgebung geschaffen, um einen Flüssigkeitsfluss herzustellen, und es werden mechanische Kräfte angewendet, um die Umgebung des Organs nachzuahmen. An OOC-Geräten sind außerdem Sensoren angebracht, die dabei helfen, verschiedene Parameter wie Lebensfähigkeit, Stoffwechsel und elektrische Aktivität des Organs zu überwachen.

Durch die Bereitstellung einer dreidimensionalen Umgebung, die die natürlichen Gewebe- und Organfunktionen nachahmt, ermöglicht die OOC-Technologie den Zellen, auf ähnliche Weise zu interagieren und zu kommunizieren wie in tatsächlichen Organsystemen.

Im Großen und Ganzen gibt es zwei Arten der OOC-Technologie, abhängig von der Anzahl der Organe auf dem Chip – Einzelorgan- und Multiorgan-OOC-Systeme.

Einzelorgan-OOC-Systeme bestehen aus einem einzelnen Organ und sind äußerst hilfreich für die Erforschung der Funktion einzelner Organe. Die Funktion einzelner Organe wird jedoch auch von anderen Organen beeinflusst, weshalb es wichtig ist, auch OOC-Systeme mit mehreren Organen zu untersuchen.

Ein frühes Konzept eines Systems mit mehreren Organen auf einem Chip wurde 2004 von Kwanchanok Viravaidya, Aaron Sin und Michael L. Shuler untersucht. Ihr OOC-Gerät war eine Kombination aus vier Kompartimenten, die Lunge, Fett, Leber und andere Gewebe repräsentierten .

NCATS/Wikimedia Commons

Einer der großen Durchbrüche in der OOC-Technologie wurde jedoch von Donald Ingber vom Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering an der Harvard University vorangetrieben. Im Jahr 2010 entwickelten Ingber und sein Team erfolgreich die erste mikrotechnisch hergestellte Lunge auf einem Chip.

Doch wie unterscheidet sich die OOC-Technologie von herkömmlichen Zellkulturen?

Herkömmliche Zell- oder Gewebekulturen werden verwendet, um Zellen in einem Labor zu züchten und zu untersuchen. Bei diesen Methoden werden Zellen auf zweidimensionalen Oberflächen wie Petrischalen oder Zellkulturflaschen gezüchtet, typischerweise in einem flüssigen Medium, das essentielle Nährstoffe und Wachstumsfaktoren enthält.

Der Begriff „Gewebekultur“ wurde vom amerikanischen Pathologen Montrose Thomas Burrows geprägt und existiert seit dem 19. Jahrhundert. Die jüngsten Fortschritte in der OOC-Technologie ermöglichen es ihr jedoch, herkömmliche Zellkulturen in vielen verschiedenen Aspekten zu übertreffen.

Mit der OOC-Technologie können Forscher die komplexen dreidimensionalen Strukturen und Mikroumgebungen menschlicher Organe nachahmen, was physiologisch oft relevanter ist als die zweidimensionale Umgebung von Zellkulturen.

kaibara87/Wikimedia Commons

Zu den dreidimensionalen Zellkulturtechniken gehören Gerüstbau und Bioprinting. Diese wurden bereits für die Arzneimittelforschung eingesetzt und haben einige Tierversuche ersetzt. Allerdings weisen sie auch Einschränkungen auf, beispielsweise das Vorhandensein unerwünschter, vom Menschen stammender Hormonbestandteile. Sie können auch unter Schwankungen von Charge zu Charge und anderen Einschränkungen leiden.

OOC vermeidet diese Probleme und bietet außerdem den Vorteil, Mikrochips zur Untersuchung von Organfunktionen im Miniaturmaßstab zu verwenden.

Ein weiterer Vorteil, den OOC bietet, ist die Möglichkeit, Gewebe-Gewebe-Schnittstellen wiederherzustellen. Indem sie die Integration mehrerer Zelltypen ermöglichen, können OOCs uns dabei helfen, zelluläres Cross-Talk, Zellsignale und den Einfluss verschiedener Zellpopulationen auf die gesamte Organfunktion zu untersuchen.

Darüber hinaus bietet die OOC-Technologie die Möglichkeit, dynamische Bedingungen zu schaffen. Die Chips können physiologische Bedingungen wie Flüssigkeitsströmung, mechanische Kräfte und biochemische Gradienten simulieren. Die Replikation dieser Systeme in dreidimensionalen Zellkulturen ist weitaus schwieriger, obwohl Forscher immer noch an der Entwicklung solcher Systeme arbeiten.

Schließlich bietet die OOC-Technologie die Möglichkeit, die Wirkung mehrerer Medikamente oder Verbindungen parallel zu testen und zu analysieren. Dies erhöht die Effizienz, senkt die Kosten und kann das Tempo der Arzneimittelentdeckung und -prüfung beschleunigen.

All diese Vorteile machen OOC zu einem großartigen Kandidaten für den Einsatz in der biomedizinischen Forschung und führen möglicherweise zu genaueren und effizienteren Methoden zur Untersuchung von Krankheiten, zur Entwicklung von Medikamenten und zur Bewertung der Toxizität.

Der Einsatz von Tieren zur Arzneimittelentwicklung, zum Testen kosmetischer Formulierungen und für ähnliche Zwecke ist aus verschiedenen Gründen seit langem ein äußerst umstrittenes Thema. Eine davon sind ethische Bedenken bei der Verwendung von Tieren für unseren Gebrauch. Tiere werden oft schlecht behandelt und fast immer während der Tests schwer geschädigt oder getötet, was ihnen extreme Belastungen, Schmerzen und Leiden bereitet.

Rklfoto

Dies wirft ernsthafte ethische Fragen zur moralischen und humanen Behandlung von Tieren und zum Gleichgewicht zwischen Tierrechten und menschlichen Vorteilen auf. Viele Gesellschaften und Organisationen, wie das Physicians Committee for Responsible Medicine (PCRM) und People for the Ethical Treatment of Animals (PETA), kämpfen für die Abschaffung aller Tierversuche.

Abgesehen von den ethischen Bedenken gibt es Einschränkungen im Zusammenhang mit der Verwendung von Tiermodellen zur Vorhersage menschlicher Reaktionen. Obwohl die grundlegenden biologischen Mechanismen ähnlich sind, unterscheiden sich Menschen genetisch und physiologisch stark von Tieren.

Wie Donald Ingber in einem Interview mit Nature Reviews Materials sagte: „Tiermodelle werden üblicherweise zur Untersuchung menschlicher Krankheiten und Behandlungen verwendet; ihre Fähigkeit, menschliche Zustände nachzuahmen, insbesondere auf molekularer und zellulärer Ebene, ist jedoch oft eingeschränkt. Warum.“ Benutzen wir sie noch?

Die Unterschiede im Arzneimittelstoffwechsel, der Krankheitsmanifestation und den Immunreaktionen bedeuten, dass sich die Sicherheit und Wirksamkeit eines an Tieren getesteten Arzneimittels nicht unbedingt auf den Menschen übertragen lässt.

Schweiz

Darüber hinaus stellen die hohen Kosten und der Zeitaufwand von Tierversuchen erhebliche Herausforderungen dar. Für Tierversuche ist eine große Anzahl an Tieren erforderlich, die untergebracht, tierärztlich versorgt und gefüttert werden müssen. Darüber hinaus müssen langwierige Versuchsprotokolle und Vorschriften befolgt werden, was den Kosten- und Zeitaufwand erhöht.

Alternative Methoden zur Abschaffung von Tierversuchen, wie zum Beispiel Virto-Tests, frühere Versuche am Menschen und Computermodellierung, werden untersucht, weisen jedoch alle eine Reihe von Einschränkungen auf. Und Organ-on-a-Chip hätte zu keinem besseren Zeitpunkt kommen können!

Angesichts des Erfolgs der OOC-Technologie und der aktuellen Einschränkungen und ethischen Überlegungen im Zusammenhang mit Tierversuchen ist es sehr wahrscheinlich, dass OOC-Geräte irgendwann Tierversuche ersetzen oder überflüssig machen werden.

Die OOC-Technologie ist hochpräzise und bietet eine verbesserte Vorhersagbarkeit, da sie die Funktion verschiedener menschlicher Organe hervorragend nachbildet, was sie zu einem weitaus besseren Kandidaten für die Untersuchung menschlicher spezifischer Reaktionen auf Toxine, Krankheiten und Medikamente gegenüber Tieren macht.

Dies wiederum reduziert den Zeit- und Kostenaufwand für präklinische Tests und verringert das Risiko von Nebenwirkungen, wenn die Ergebnisse auf menschliche Probanden übertragen werden.

Andrii Koval

Darüber hinaus kann die OOC-Technologie verwendet werden, um mehrere Verbindungen und Medikamente parallel auf einem einzigen Chip zu testen, was den Prozess der Medikamentenentwicklung und -entdeckung erheblich rationalisiert. Diese Effizienz reduziert den mit Tierversuchen verbundenen Zeit- und Finanzaufwand und ermöglicht es Forschern, die wissenschaftliche Forschung zu beschleunigen.

Darüber hinaus schadet die OOC-Technologie den Tieren nicht und misshandelt sie auch nicht, da die Zellen oder Gewebe vom Menschen stammen (Menschen werden ebenfalls nicht geschädigt). Dieser Ansatz eliminiert das Leiden der Tiere so gut wie und bringt einen enormen Gewinn für die Rechte und das Wohlergehen der Tiere mit sich.

Der zukünftige Fortschritt der Organ-on-a-Chip (OOC)-Technologie ist vielversprechend. Seit dem Durchbruch im Jahr 2010 wurden mit der OOC-Technologie auch andere Organe wie Leber, Herz und Niere erfolgreich nachgebildet. Diese Fortschritte haben es Forschern ermöglicht, Organfunktionen, Interaktionen und Reaktionen auf Medikamente und Krankheiten präziser und relevanter zu untersuchen.

Im Jahr 2012 untersuchten Ingber und sein Team in einer weiteren Studie die Arzneimitteltoxizität in einem „Lung-on-a-Chip“-Mikrogerät. Leber-auf-einem-Chip-Modelle haben sich auch bei Studien zum Arzneimittelstoffwechsel und bei Toxizitätstests als vielversprechend erwiesen.

Wyss Institute, Harvard University/Wikimedia Commons

Auch Heart-on-a-Chip-Modelle wurden erfolgreich entwickelt. In einer von Genevieve Conant von der University of Toronto geleiteten Studie wurde ein Heart-on-a-Chip-Modell verwendet, um die Herzfunktion zu bewerten und Kandidaten auf Arzneimitteltoxizität zu untersuchen.

Es wurden auch mehrere Organmodelle entwickelt, darunter „Darm on a Chip“, ein Darm-Nieren-Chip sowie Dünndarm, Leber und Lunge auf einem Chip. Diese Multiorgan-Chips sind vielversprechend für die Untersuchung der Arzneimittelwirkungen auf mehrere Systeme und wurden bereits zum Testen der Pharmakokinetik von Krebsmedikamenten, des Wirt-Darm-Mikrobiota-Interferenztests und des Ernährungsstoffwechsels eingesetzt.

Trotz der Erfolgsgeschichten gibt es bei der OOC-Technologie weiterhin Herausforderungen und Einschränkungen. Da sich die Technologie noch in einem frühen Stadium befindet, sind für ihre breitere Einführung mehr Finanzmittel, Forschung und Entwicklung erforderlich.

Die Validierung dieser Modelle anhand klinischer Daten ist ebenfalls von entscheidender Bedeutung, um ihre Genauigkeit und Zuverlässigkeit sicherzustellen. Die Standardisierung von OOC-Plattformen, die Integration eines breiteren Spektrums mehrerer Organsysteme und die langfristige Lebensfähigkeit von Kulturen sind Bereiche, die weiterer Aufmerksamkeit bedürfen.

Die laufende Forschung konzentriert sich auch auf die Erweiterung und Verfeinerung der Fähigkeiten von OOC-Geräten, beispielsweise auf die Einbindung von Immunzellen, Gefäßen und Multiorgansystemen. Eine weitere Integration mit bildgebenden Verfahren bietet diesen Geräten einen Vorteil, da sie eine Echtzeitüberwachung ermöglicht.

Universität Washington/Wikimedia Commons

Insbesondere der Bedarf an OOC-Systemen mit mehreren Organen ist von wesentlicher Bedeutung, da Organe Teil vieler Netzwerke im Körper sind.

Die OOC-Technologie stellt einen Paradigmenwechsel in der Arzneimittelforschung und -entwicklung dar und bietet einen genaueren, effizienteren und humaneren Ansatz für die Untersuchung der menschlichen Physiologie und die Entwicklung sicherer und wirksamer Behandlungen. Durch die Nutzung der Leistungsfähigkeit von Technik, Mikrotechnologie und Biologie ebnen OOC-Geräte den Weg für eine Zukunft, in der Tierversuche ersetzt oder ganz abgeschafft werden können, was zu erheblichen Fortschritten in der Arzneimittelforschung und Toxizitätsprüfung führt, ohne dass Tiere geschädigt werden müssen!