30.10.2018 - University of Cambridge

3D-organ-on-a-chip könnte die Suche nach neuen Behandlungen für Krankheiten beschleunigen

Forscher haben ein dreidimensionales "Organ auf einem Chip" entwickelt, das eine kontinuierliche Echtzeit-Überwachung der Zellen ermöglicht und zur Entwicklung neuer Behandlungen von Krankheiten bei gleichzeitiger Reduzierung der Anzahl der in der Forschung verwendeten Tiere verwendet werden könnte.

Das Gerät, das Zellen in einen 3D-Transistor aus einem weichen, schwammartigen Material integriert, das von der natürlichen Gewebestruktur inspiriert ist, gibt Wissenschaftlern die Möglichkeit, Zellen und Gewebe auf neue Weise zu untersuchen. Indem es Zellen ermöglicht, in drei Dimensionen zu wachsen, ahmt das Gerät die Art und Weise, wie Zellen im Körper wachsen, genauer nach.

Die Forscher, angeführt von der University of Cambridge mit Kollegen aus Frankreich, Griechenland und Saudi-Arabien, sagen, dass ihr Gerät modifiziert werden könnte, um mehrere Arten von Organen zu erzeugen - eine Leber auf einem Chip oder ein Herz auf einem Chip zum Beispiel -, die letztendlich zu einem Körper auf einem Chip führen würden, der simulieren würde, wie sich verschiedene Behandlungen auf den gesamten Körper auswirken.

Traditionell wurden (und werden) biologische Studien in Petrischalen durchgeführt, wo bestimmte Zelltypen auf einer ebenen Fläche gezüchtet werden. Während viele der seit den 1950er Jahren erzielten medizinischen Fortschritte, einschließlich des Polioimpfstoffs, ihren Ursprung in Petrischalen haben, stellen diese zweidimensionalen Umgebungen nicht genau die native dreidimensionale Umgebung menschlicher Zellen dar und können tatsächlich zu irreführenden Informationen und Misserfolgen von Medikamenten in klinischen Studien führen.

"Zweidimensionale Zellmodelle haben der wissenschaftlichen Gemeinschaft gut gedient, aber wir müssen jetzt zu dreidimensionalen Zellmodellen übergehen, um die nächste Generation von Therapien zu entwickeln", sagte Dr. Róisín Owens von der Cambridge Department of Chemical Engineering and Biotechnology und Senior Author der Studie.

"Dreidimensionale Zellkulturen können uns helfen, neue Behandlungen zu identifizieren und zu wissen, welche zu vermeiden sind, wenn wir sie genau überwachen können", sagt Dr. Charalampos Pitsalidis, Postdoc-Forscher am Department of Chemical Engineering & Biotechnology und Erstautor der Studie.

Heute sind 3D-Zell- und Gewebekulturen ein neuer Bereich der biomedizinischen Forschung, der es Wissenschaftlern ermöglicht, die Physiologie menschlicher Organe und Gewebe auf eine Weise zu untersuchen, die bisher nicht möglich war. Obwohl diese 3D-Kulturen erzeugt werden können, ist die Technologie, die ihre Funktionalität in Echtzeit genau bewertet, noch nicht ausgereift.

"Die Mehrheit der Zellen in unserem Körper kommuniziert miteinander durch elektrische Signale, daher müssen wir, um Zellkulturen im Labor zu überwachen, Elektroden an ihnen anbringen", sagt Dr. Owens. "Allerdings sind Elektroden ziemlich klobig und schwer an Zellkulturen anzubringen, also haben wir beschlossen, das Ganze auf den Kopf zu stellen und die Zellen in die Elektrode zu stecken."

Die von Dr. Owens und ihren Kollegen entwickelte Vorrichtung basiert auf einem "Gerüst" aus einem leitfähigen Polymerschwamm, der zu einem elektrochemischen Transistor konfiguriert ist. Die Zellen werden innerhalb des Gerüsts gezüchtet und das gesamte Gerät wird dann in ein Kunststoffrohr gelegt, durch das die für die Zellen notwendigen Nährstoffe fließen können. Die Verwendung der weichen Schwammelektrode anstelle einer herkömmlichen starren Metallelektrode bietet eine natürlichere Umgebung für Zellen und ist der Schlüssel zum Erfolg der Organ-on-Chip-Technologie bei der Vorhersage der Reaktion eines Organs auf verschiedene Reize.

Andere Organe auf einem Chip müssen vollständig zerlegt werden, um die Funktion der Zellen zu überwachen, aber da das von Cambridge geführte Design eine kontinuierliche Echtzeitüberwachung ermöglicht, ist es möglich, längerfristige Experimente über die Auswirkungen verschiedener Krankheiten und möglicher Behandlungen durchzuführen.

"Mit diesem System können wir das Wachstum des Gewebes und seine Gesundheit als Reaktion auf externe Medikamente oder Toxine überwachen", sagt Pitsalidis. "Neben toxikologischen Tests können wir auch eine bestimmte Krankheit im Gewebe induzieren und die wichtigsten Mechanismen dieser Krankheit untersuchen oder die richtigen Behandlungen finden."

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