Akkordeon-Physik läutet eine neue Ära für die Lab-on-a-Chip-Technologie ein
Gerät bildet die Wellenformen des Blutflusses nach und eröffnet neue Möglichkeiten für die Erforschung von Gefäßerkrankungen und die Arzneimittelentwicklung
Seit mehr als 25 Jahren ermöglicht die Lab-on-a-Chip-Technologie Forschern, menschliche Organe und Blutgefäße unter Verwendung echter menschlicher Zellen in künstlichen mikroskopischen Umgebungen nachzubilden. Diese mikrophysiologischen Systeme (MPS) können menschliche Zellen nachbilden und Organe oder sogar ganze Organsysteme unter zahlreichen Bedingungen simulieren. Sie sind zu einem Schlüsselelement bei der Erforschung von Herzerkrankungen bis hin zur Wirksamkeit neuer Medikamente geworden.
Allerdings wurden sie bisher durch eine wesentliche Einschränkung gebremst: die Unfähigkeit, die vom menschlichen Herzen ausgehenden Blutflusswellenformen genau nachzubilden.
„Wir haben jahrzehntelang darum gekämpft, tatsächlich ein stabiles Perfusionssystem zu finden“, sagte Dr. Abhishek Jain, außerordentlicher Professor für Biomedizintechnik und Barbara- und Ralph-Cox-’53-Fakultätsstipendiat an der Texas A&M University. „Der durch den Herzschlag ausgelöste menschliche Blutfluss besteht aus mehreren Impulsen und verschiedenen Wellenlängen und vollzieht sich innerhalb einer sehr kurzen Zeitspanne: Man benötigt eine Änderung des Durchflusses innerhalb von 50 Millisekunden. Das lässt sich mit den derzeit verfügbaren Pumpen nicht realisieren.“
Die Wellenform des Blutflusses – und die Reaktion der Zellen darauf – steht im Zentrum zahlreicher Gesundheitsprobleme. Wenn sich das Wellenmuster des Blutflusses aufgrund von Krankheit, Alter oder sogar Schwerelosigkeit verändert, zeigen die Endothelzellen, die jedes Blutgefäß im Körper auskleiden, pathologische Zellverhalten, was schließlich zu lebensbedrohlichen Erkrankungen führt.
Nun haben Jain und Dr. Ankit Kumar, der gerade seinen Doktortitel in Biomedizintechnik an der Texas A&M University erworben hat, den „HemaDyne“ entwickelt, eine in ihrer Art einzigartige Pumpe, die in der Lage ist, den Blutfluss unter jeglichen Bedingungen und in jedem Teil des Körpers perfekt nachzubilden. Ihre Arbeit wurde in „Nature Communications“ veröffentlicht.
„Mit dieser Pumpe kann man jede in einer Klinik aufgezeichnete Blutflusswellenform – egal von welchem Patienten oder Blutgefäß – im Labor nachbilden und dort beobachten“, sagte Kumar. „Auf diese Weise kann man beobachten, wie sich die Endothelzellen unter diesen Bedingungen verhalten. Man kann die allerersten Anzeichen von Gefäßerkrankungen untersuchen und deren Entstehungsmechanismen aufdecken, um sie frühzeitig mit therapeutischen Maßnahmen zu behandeln.
„Man kann sogar Zellen von menschlichen Patienten entnehmen und in die Chips einbringen, um verschiedene Medikamente zu testen und herauszufinden, welche diese durch den Blutfluss bedingten Störungen am besten frühzeitig beheben und verhindern können, dass sie sich im Laufe der Jahrzehnte zu schwerwiegenden, lebensverändernden Erkrankungen entwickeln.“
Die Inspiration für dieses Gerät lieferte ein Student, der auf dem Campus der Texas A&M University in College Station Akkordeon spielte. Zwar waren sowohl Jain als auch Kumar damit aufgewachsen, regelmäßig Harmoniums zu sehen – Akkordeoninstrumente, die oft in Bollywood-Musicals gespielt werden –, doch erst als sie den unbekannten Studenten vor einem Ingenieursgebäude auf dem Campus dabei beobachteten, wie er eines spielte, ging ihnen plötzlich die Physik des Instruments auf.
„Uns fiel auf, dass das Akkordeon in der Mitte diese Balg hat, die sich ausdehnen und zusammenziehen können. Es ist diese Geometrie, die es ermöglicht, ohne allzu großen Kraftaufwand Luftdruck zu erzeugen“, sagte Jain. „Es gibt Pumpen, die mit Luftdruckströmung arbeiten, aber keine von ihnen nutzt diese physikalischen Prinzipien oder diese Geometrie, die es dem Musiker ermöglicht, sehr schnell Wellenformen zu erzeugen. Wir stellten die Hypothese auf: Was wäre, wenn wir dieses Prinzip der Luftdruckänderung stattdessen nutzen würden, um eine Strömung zu erzeugen?“
Kumar und Jain begannen im Labor, die möglichen Anwendungen von Akkordeonfalten zu untersuchen. Während Akkordeoninstrumente teuer sind, wird dieselbe Geometrie in Klebstoffspendern aus Kunststoff in Form einer „Akkordeonflasche“ genutzt – erhältlich für weniger als 1 Dollar pro Flasche. Ausgestattet mit genau den wissenschaftlichen Prinzipien, nach denen sie gesucht hatten, machten sich die Forscher daran, den Klebstoffspender in ein System umzuwandeln, das Druckwellenformen erzeugen kann – genau wie musikalische Harmonien. Die Lösung waren 3D-Drucker.
„Es gibt eine große Open-Source-Community für den 3D-Druck, also habe ich mir die Firmware von 3D-Druckern ausgeliehen“, sagte Kumar. „Es handelt sich um eine Sprache namens G-Code. Mit dieser Sprache konnte ich Blutflusswellenformmessungen bei einem Patienten vornehmen, diese in G-Code umwandeln und die Wellenformen dann im Labor erzeugen, was uns die Untersuchung komplexer Gefäßerkrankungen ermöglicht.“
Die Erforschung der Ursachen von Gefäßerkrankungen ist nur ein kleiner Teil des Potenzials des Geräts. Die Möglichkeit, den Verlauf jeder messbaren Erkrankung mithilfe menschlicher Zellen in einem kleinen, leicht transportierbaren Gerät genau nachzubilden, könnte Bereiche von der Entdeckung neuer Medikamente bis hin zur Raumfahrt vorantreiben.
„Man kann diese Systeme monatelang laufen lassen. Man kann sie ins All schicken und wieder zurückholen. Man kann chronische Erkrankungen modellieren“, sagte Jain. „Das hat den Weg für künftige neue Technologien geebnet. In fünf Jahren könnten MPS-Systeme, die an diese Pumpentechnologie angeschlossen sind, so robust und standardisiert sein, dass seriöse klinische Studien möglich werden, bei denen die Erfolgschancen deutlich höher sind als heute. Das bedeutet bessere Medikamente, ein besseres Verständnis menschlicher Krankheiten, ein besseres Verständnis dafür, was mit der Gesundheit von Astronauten geschieht, wenn sie ins All fliegen und zurückkehren, sowie ein besseres Verständnis von Alterungsprozessen und Krebs.“
Die Forschung wurde mit Unterstützung der NASA durchgeführt, die diese Technologie als vielversprechenden Baustein für eine sichere bemannte Reise zum Mars betrachtet.
„Wir sind wirklich in der glücklichen Lage, dass wir die Finanzierung durch die NASA und ihre Partner erhalten, um diese Art von hochwirksamer Arbeit mit unseren Studierenden der Biomedizintechnik im Grund- und Hauptstudium durchführen zu können“, sagte Jain. „Dies ist ein Beispiel dafür, wie die Messtechnik die Biologie voranbringen kann. Dieses Gerät wird neue biologische Entdeckungen ermöglichen.“
Das Gerät wird mit Unterstützung des Texas A&M Innovation Office zum Patent angemeldet.
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