Eine Orgel auf einem Chip bauen

Die Art und Weise, wie Pharmaunternehmen Medikamente testen, ist kaputt, und Donald Ingber hat eine Idee, wie man das beheben kann.

Wissenschaftler testen potenzielle Arzneimittel normalerweise an Tieren, aber meistens scheitern die Vorhersagen von Tieren, wenn eine Verbindung am Menschen getestet wird, sagt Ingber, Direktor des Wyss Institute der Harvard University. Natürlich ist es zu gefährlich, erste Tests an Menschen durchzuführen. Unsere vorgeschlagene Lösung besteht darin, Studien mit menschlichen Zellen durchzuführen, sagt er, aber nicht nur mit Zellen in einer Schale – Zellen, die organähnliche Strukturen und Funktionen aufweisen.

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Diese Geschichte war Teil unserer Juli-Ausgabe 2012



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Um dies zu erreichen, entwickeln Ingber und sein Team eine Menagerie von Geräten im Mikromaßstab, die die Strukturen und Umgebungen tatsächlicher menschlicher Organe genauer nachbilden als eine einfache Kulturschale.

Das erste Organ des Wyss Institute war eine Atemlunge auf einem Mikrochip. Das transparente, daumengroße Gerät besteht aus zellfreundlichen Materialien und dient als Plattform für die Anzucht menschlicher Lungenzellen. Winzige Kanäle durchschneiden das Gerät. Luft und Flüssigkeit strömen durch die zentralen Kanäle, in denen die Lungenzellen wachsen, und da das Gerät flexibel ist, können Wissenschaftler die seitlichen Kanäle mit Unterdruck beaufschlagen, sodass sich die zentralen Kanäle ausdehnen und zusammenziehen – ähnlich wie bei der menschlichen Lunge. Das Team hat gezeigt, dass solche mechanischen Kräfte das Verhalten der Zellen beeinflussen. Im Fall der Lungenzellen hilft ihnen die mechanische Atmung dabei, in der Luftkammer strömende Partikel aufzunehmen.

In jüngerer Zeit hat das Institut einen menschlichen Darm auf einem Mikrochip entwickelt. Der zentrale Kanal des Geräts, der mit menschlichen Zellen ausgekleidet ist, kann wellenförmigen Bewegungen ausgesetzt werden, die die Bewegung des Darms während der Verdauung nachahmen. Im Chip bilden die Zellen fingerartige Strukturen, sogenannte Zotten, die für die Aufnahme von Nährstoffen und anderen Verbindungen wichtig sind. Diese Strukturen bilden sich nicht, wenn Zellen in einer Schale gezüchtet werden, was darauf hindeutet, dass sich die Zellen im Gerät wohler fühlen. Wissenschaftler können auch gewöhnliche Darmbakterien zusammen mit den Darmzellen im Kanal züchten. In einer Kulturschale überholen die Bakterien meist die menschlichen Zellen, sagt Ingber; jetzt können wir viel komplexere Wechselwirkungen untersuchen.

Jeder organähnliche Chip gibt den Forschern einzeln die Möglichkeit, menschliche Zellen in einer natürlicheren Umgebung zu untersuchen und zu testen, wie sie auf Medikamente und Toxine reagieren. Aber Ingber arbeitet an einer größeren Vision, bei der mehrere der Chips miteinander verbunden sind. Durch die Verbindung der mikrofluidischen Versionen von Herz, Lunge, Darm, Niere und mehr, glauben Ingber und seine Mitarbeiter, können sie besser untersuchen, wie der Körper verschiedene Verbindungen verarbeitet und darauf reagiert.

Ein Projekt mit Wyss-Fakultätsmitglied Kevin Kit Parker besteht darin, inhalierte Medikamente auf negative Auswirkungen auf das Herz zu testen – ein seit langem bestehendes Problem in der Wirkstoffforschung. Herztoxizität ist tatsächlich die Hauptursache für das Versagen von Medikamenten, unabhängig davon, auf was sie abzielen, sagt Ingber.

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