Organsystem in hängenden Tropfen
Forschende versuchen dem menschlichen K?rper mit seinen verschiedenen Zelltypen mithilfe von Zellkulturen auf den Grund zu gehen. Eine an der ETH Zürich neu entwickelte Technologie erlaubt nun, ein den K?rper simulierendes Netzwerk aus kugelf?rmigen Mikrogeweben in h?ngenden Tropfen zu erzeugen und damit Wirkstoffe unter realit?tsnahen Bedingungen zu testen.
Wissenschaftler verwenden standardm?ssig Zellkulturen, um Wirksubstanzen oder Gifte zu testen. Bis anhin dominieren zweidimensionale Zellkulturen auf flachen Substraten, was gewichtige Nachteile hat: Zellschichten auf Oberfl?chen sind sowohl in ihrer Morphologie als auch in ihrem Stoffwechsel anders als Zellen im lebenden Organismus, wo dreidimensionale Strukturen vorherrschen.
Forschende entwickelten deshalb Hanging-Drop-Plattformen: anstatt in flachen Schalen kultivieren sie Zellen in regelm?ssig angeordneten h?ngenden Tropfen aus N?hrl?sung. In diesen formieren sich die Zellen zu kugeligen Mikrogeweben, sogenannten Sph?roiden von rund einem halben Millimeter Durchmesser. Die Oberfl?chenspannung der Flüssigkeit h?lt den Tropfen in h?ngender Position und umschliesst das Sph?roid. Innerhalb des Tropfens stehen die Zellen untereinander in intensivem Kontakt und k?nnen miteinander kommunizieren. Morphologie und Verhalten kommen realen Zellformen sehr nahe. Herzzellen beginnen zum Beispiel rhythmisch zu schlagen, nachdem sie sich zu einem Sph?roid zusammengeschlossen haben.
Tropfen verknüpft
Der ETH-Forscher Olivier Frey aus der Gruppe von Andreas Hierlemann, Professor für Biosystems Engineering am Departement Biosysteme (D-BSSE), entwickelte nun aus einer Plattform von isolierten h?ngenden Tropfen ein Netzwerk von untereinander verknüpften Tropfen. Dabei verband er diese gitterartig mit feinsten Kan?len. Dank dieser Kan?le sind die Sph?roide oder Mikrogewebe in den einzelnen Tropfen über Flüssigkeitsstr?me miteinander verbunden, sodass die Gewebe wie in einem lebenden Organismus miteinander kommunizieren k?nnen.
Die Tropfen werden fortlaufend mit N?hrl?sung versorgt, die über eine Pumpe in die Kan?le eingespeist wird. Ein Kragen am Kanalrand verhindert, dass Flüssigkeit aus dem Kanal austritt und die Plattform überschwemmt. Die Zufuhr der N?hrl?sung erfolgt so, dass die Tropfen gleich gross bleiben. Würde zu viel L?sung eingepumpt, würden sie herunterfallen. Dies hat es Frey erlaubt, das System ohne luftdichten Deckel zu konzipieren, was Fabrikation und Betrieb der neuen Plattform stark vereinfacht. Die Zellkulturen müssen aber wie bisher in einem Brutkasten unter kontrolliert hoher Luftfeuchtigkeit aufbewahrt werden.
Body-on-a-chip-Vision verwirklicht
?ber Zuleitungen k?nnen die Forscher dem System auch zu testende Wirkstoffe in bestimmten Konzentrationen zuführen. Durch die Anordnung dieser Zuleitungen, der Kan?le und der Tropfen k?nnen von Reihe zu Reihe unterschiedliche Wirkstoffkonzentrationen erzeugt werden, so dass, über die gesamte Plattform betrachtet, ein Konzentrationsgradient entsteht.
In diesem System, das eben in Nature Communications vorgestellt wurde, k?nnen die D-BSSE-Forschenden in einem Arbeitsgang mehrere Sph?roide verschiedener Zelltypen in Reihenfolgen anordnen, wie sie im K?rper vorkommen, und verschiedenen Konzentrationen einer Substanz aussetzen. Dadurch k?nnen die Wissenschaftler ein Multiorgansystem auf einer Platte realit?tsnah nachstellen. ?Damit haben wir ein Body-on-a-chip-System auf relativ einfache Weise verwirklicht?, freut sich Frey, der zwei Jahre lang an dieser Testplattform gearbeitet hat.
Leberzellen mit Krebszellen verknüpft
Erste Tests an Leberzell- und Krebszellsph?roiden verliefen vielversprechend. Frey und seine Mitarbeiter bestückten in einer Reihe drei Tropfen mit Leberzellen, den nachfolgenden vierten mit Krebszellen. Nachdem sich die Zellen in Sph?roiden organisiert hatten, leitete er ein Zytostatikum, also eine das Zellwachstum hemmende Substanz, in jeweils verschiedenen Konzentrationen pro Reihe in die Testanordnung ein.
Der verwendete Wirkstoff t?tet Krebszellen nur dann ab, wenn ihn Leberzellen vorher aktivieren. Diesen Effekt konnten die Forscher rekonstruieren. Gleichzeitig beobachteten sie, ab welcher Konzentration das Gift auf die Krebszellen wirkt und ab wann auch die Leberzellen darunter zu leiden beginnen. Fehlten im System die Leberzellen, hatte das Medikament in den entsprechenden Konzentrationen wie erwartet keine Wirkung auf die Krebszellen.
System zum Patent angemeldet
Frey und seine Kollegen haben ihre neue Testplattform zum Patent angemeldet. Diese ist relativ einfach und günstig herzustellen. Dazu braucht es eine Negativform aus Silizium, die im Reinraum hergestellt wird. Danach k?nnen mit einem Polymer billige Abgüsse davon gemacht werden. Für grosse Stückzahlen kann auch ein Spritzgussverfahren verwendet werden, in welchem eine einzelne Plattform nur wenige Rappen kostet. Die Herstellung der Mikrogewebe für die Plattform entwickelten die Basler Forscher in Zusammenarbeit mit der Firma InSphero, einem Spin-off des D-BSSE.
Interessenten dafür dürften unter anderem Pharmafirmen sein, die neue Wirkstoffe auf Wirksamkeit und unerwünschte Nebenwirkungen überprüfen m?chten. Das neue System l?sst dies auf schnelle, flexible und unkomplizierte Weise zu. ?Für Pharmafirmen wird unser System deshalb interessant sein, weil sie frühzeitig realistische Anhaltspunkte erhalten, ob eine neue Substanz potenziell sch?dlich ist?, betont Frey. So k?nnte zum Beispiel in einer frühen Phase der Entwicklung getestet werden, wie und ob sich ein neues Herzmedikament auf die Leber auswirkt.
In einem weiteren Schritt m?chten die Basler Forscher ihre Hanging-Drop-Plattform mit Sensoren ausstatten, die Stoffwechselprodukte in den Tropfen messen k?nnen. Dadurch sollte es m?glich sein, laufend Daten auszulesen. Die Sensoren messen beispielsweise Laktat oder Glukose. ?Die Chip-Fabrikation dürfte durch die Sensorintegration zwar etwas aufwendiger werden, dafür liefert uns eine solche Plattform deutlich mehr Information?, sagt Andreas Hierlemann.
Literaturhinweis
Frey O, Misun P, Fluri D, Hengstler J, Hierlemann A: Reconfigurable microfluidic hanging drop network for multi-tissue interaction and analysis. Nature Communications 5, Article number:4250. Online-Publikation vom 30. Juni 2014. DOI:externe Seite 10.1038/ncomms5250