Der Einsatz von Systemen der künstlichen generativen Intelligenz durch die Angehörigen der Gesundheitsberufe muss sich durchsetzen; es wäre unethisch, auf diese Hilfsmittel zu verzichten.
Ethischer Grundsatz der Französischen Akademie der Medizin (Übersetzung). Generative KI-Systeme im Gesundheitswesen: Herausforderungen und Perspektiven, 5. März 2024.
Das Thema dieses Monats: Organ-on-a-Chip
Einführung
Organ-on-a-Chip (OOC) ist eine Technologie, bei der mikrofluidische Zellkulturgeräte entwickelt werden, die die Aktivitäten, Mechanik und physiologischen Reaktionen ganzer Organe oder Organsysteme simulieren.
Diese Chips enthalten in der Regel kleine Kammern, die mit lebenden Zellen ausgekleidet sind und die Struktur und Funktion bestimmter Organe wie Herz, Leber, Lunge oder Niere nachbilden. Der Zweck der Organ-on-a-Chip-Technologie besteht darin, im Vergleich zu herkömmlichen 2D-Zellkulturen oder Tierversuchen ein genaueres Modell der menschlichen Physiologie zu erstellen.
Durch die Nachbildung der Mikroumgebung eines Organs, einschließlich Faktoren wie Flüssigkeitsströmung, mechanische Kräfte und Zell-Zell-Interaktionen, können Forscher Krankheitsmechanismen untersuchen, die Wirksamkeit und Toxizität von Medikamenten testen und sogar die Medizin personalisieren. Jeder Chip kann bestimmte Funktionen des entsprechenden Organs nachbilden, was es den Forschern ermöglicht, die Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Organen und Systemen im Körper zu untersuchen, so genannte „Body-on-a-Chip“-Systeme. Diese Technologie hat das Potenzial, die Entdeckung von Arzneimitteln, toxikologische Tests und die personalisierte Medizin zu beschleunigen, da sie zuverlässigere und relevantere Modelle für die Untersuchung der menschlichen Biologie und Krankheit bietet. Einige Aspekte des Alterns sind bereits untersucht worden, aber die Verfolgung der Wechselwirkungen zwischen den Organen auf lange Sicht und mit Aspekten der Seneszenz steht noch aus.
Der Unterschied zwischen einem Organ auf einem Chip und einem Organoid besteht darin, dass OOCs mikrofluidische Geräte sind, die die physiologischen Reaktionen ganzer Organe nachahmen und eine präzise Kontrolle über die Mikroumgebung für Arzneimitteltests und Krankheitsmodellierung bieten, während Organoide 3D-Zellcluster sind, die von Stammzellen abgeleitet sind und die Strukturen und Funktionen bestimmter Organe nachbilden und als wertvolle Werkzeuge für die Untersuchung von Entwicklung, Krankheiten und personalisierter Medizin dienen, wenn auch mit weniger Kontrolle über die Mikroumgebung.
Vergleich der Eigenschaften von 2D- und 3D-Zellkulturen
| Merkmale | 2D-Zellkultur | 3D-Zellkultur |
|---|---|---|
| Morphologie der Zellen | Es ist nur eine 2D-Erweiterung zulässig. Die Zellen sind abgeflacht/verlängert. | Die Zellen wachsen in drei Dimensionen. Der Phänotyp der nativen Zellen bleibt erhalten. |
| Exposition gegenüber dem Zellmedium | Die Zellen erhalten die gleiche Medienexposition und werden in der gleichen Wachstumsphase gehalten. | Die Zellen in der Mitte der 3D-Masse sind den Medien weniger ausgesetzt; die unterschiedliche Exposition führt zu verschiedenen Wachstumsphasen und einer ungleichmäßigen Diffusion von Gasen; |
| Zelldifferenzierung | Die Zellen differenzieren sich nicht gut. | Die Zellen differenzieren sich gut. |
| Empfindlichkeit von Medikamenten | Zellen sind oft unrealistisch empfindlich gegenüber Medikamenten. | Im Vergleich zu 2D sind die Zellen oft resistent gegen Medikamente; die Ergebnisse sind mit denen von In-vivo-Modellen vergleichbar. |
| Bildgebung und Analyse | Bestehende Verfahren sind standardisiert und einfacher. | Die Verfahren sind nicht standardisiert und schwierig. |
| Genexpression | Es ahmt keine In-vivo-Modelle nach. | Genauere Darstellung von In-vivo-Modellen. |
| Kosten | Niedrig. | Hoch/teuer. |
Arten von Organ-on-a-Chip
Lunge
Eine Studie aus dem Jahr 2021 zeigt, dass die „Lung-on-a-Chip“-Technologie eine biologische, dehnbare und biologisch abbaubare Membran aus Kollagen und Elastin verwendet, die eine Reihe von Miniatur-Alveolen mit ähnlichen Abmessungen wie In-vivo simuliert. Diese Membran ist biologisch abbaubar und kann in Bezug auf Dicke, Zusammensetzung und Steifigkeit durch ein einfaches Herstellungsverfahren angepasst werden. Die Luft-Blut-Schranke wird mit primären Lungenalveolarepithelzellen, die von Patienten stammen, und primären Lungenendothelzellen rekonstruiert. Die Membran behält die typischen Marker für Alveolarepithelzellen bei und bewahrt die Barriereeigenschaften für bis zu drei Wochen.
Niere
Durch den Einsatz der „Kidney-on-a-Chip“-Technologie können Forscher die physiologischen Bedingungen in menschlichen Organen nachbilden. Es wurden verschiedene „Kidney-on-a-Chip“-Modelle entwickelt, die die Mikroumgebung der Nierentubuli nachbilden und im Vergleich zu herkömmlichen Methoden eine höhere Genauigkeit bei der Vorhersage der Nephrotoxizität von Medikamenten aufweisen. Mithilfe von „Kidney-on-a-Chip“-Plattformen können Forscher verschiedene medikamenteninduzierte biologische Reaktionen bewerten. Für die Zukunft ist die Integration von „Kidney-on-a-Chip“ in Multiorgan-Systeme vorgesehen. Darüber hinaus bietet „Kidney-on-a-Chip“ vielversprechende Möglichkeiten für die Modellierung von Krankheiten und die Entwicklung neuer Nierenersatztherapien.
Bauchspeicheldrüse
Die „Pankreas-on-a-Chip“-Plattform bildet die native Funktionalität und die zellulären Interaktionen von Pankreaszellen genauer nach als herkömmliche menschliche Zellkulturmodelle. Dieser Chip ermöglicht die Nachbildung der In-vivo beobachteten Strömungsdynamik. Die Verwendung des „Pancreas-on-a-Chip“ hat zur Klärung einer grundlegenden Frage bei Mukoviszidose-bedingtem Diabetes (CFRD) beigetragen: ob der Verlust der CFTR-Funktion in den Epithelzellen des Pankreasgangs (PDECs) ein Hauptfaktor bei der Entstehung von CFRD ist. Eine Studie deutet darauf hin, dass eine CFTR-Funktionsstörung in PDECs in der Tat einen wesentlichen Beitrag zum Ausbruch von CFRD leistet.
Herz
Herz-Kreislauf-Erkrankungen sind in vielen Ländern die Hauptursache für Todesfälle. Die Entwicklung von Herz-Kreislauf-Medikamenten stößt jedoch auf erhebliche Hindernisse: (a) Tiermodelle für Herz-Kreislauf-Erkrankungen sagen die Reaktionen des Menschen oft nur unzureichend voraus; (b) die unerwünschten Wirkungen variieren von Organismus zu Organismus; und (c) der Prozess ist langwierig und kostspielig. Es wurden „Organ-on-a-Chip“-Technologien vorgeschlagen, um die dynamischen Bedingungen des kardiovaskulären Systems, insbesondere des Herzens und des allgemeinen Gefäßsystems, nachzuahmen. Bei diesen Systemen wird besonderes Augenmerk auf die Nachahmung der strukturellen Organisation, der Scherbelastung, des transmuralen Drucks, der mechanischen Dehnung und der elektrischen Stimulation gelegt.
Ein schlagendes Herz auf einem Chip wurde mit hochfunktionellen mikrotechnisch hergestellten Herzgeweben hergestellt, die die Vorhersage hypertropher Veränderungen in Herzzellen ermöglichen. Dieses innovative Gerät demonstriert die Fähigkeit, Herzmikrogewebe mit verbesserter mechanischer und elektrischer Kopplung zwischen benachbarten Zellen herzustellen. Darüber hinaus zeigt das Modell eine positive chronotrope Wirkung, wenn es Isoprenalin ausgesetzt wird, was auf seinen potenziellen Nutzen für die Arzneimittelentdeckung und Toxizitätsstudien hindeutet.
An der Entwicklung der Technologie beteiligte Unternehmen
Mehrere große Unternehmen sind weltweit führend in der Entwicklung von Organ-on-a-Chip-Modellen. In Europa haben wir Mimetas mit Hauptsitz in den Niederlanden, das eine breite Palette von Organ-on-a-Chip-Modellen anbietet, darunter Nieren-, Darm-, Tumor- und andere Modelle. Elvesys, mit Sitz in Frankreich, konzentriert sich auf die Entwicklung von Mikrofluidiksystemen. AlveoliX, mit Sitz in der Schweiz, ist auf menschliche Lung-on-a-chip-Modelle spezialisiert. TissUse, mit Sitz in Deutschland, bietet Multi-Organ-on-a-Chip-Lösungen an. BiomimX schließlich, mit Hauptsitz in Italien, ist bekannt für seine Expertise bei der Erstellung von Vorhersagemodellen menschlicher Organe und Pathologien für Medikamententests.
Emulate, eines der führenden Unternehmen in diesem Bereich, hat seinen Sitz in den USA und ist auf die Entwicklung fortschrittlicher Modelle wie Lung-on-a-Chip, Gut-on-a-Chip und Blood-brain-barrier-on-a-Chip-Systeme spezialisiert. AxoSim, mit Sitz in den USA, widmet sich der Entwicklung spezieller mikrofluidischer Chips für die Krebsbekämpfung. TaraBiosystems, ein weiteres Unternehmen mit Sitz in den USA, ist für seine Heart-on-a-Chip-Modelle bekannt. Nortis Bio, mit Sitz in den USA, ist auf Kidney-on-a-Chip-Modelle spezialisiert. BioIVT, ebenfalls mit Sitz in den USA, bietet etablierte Modelle wie Pankreas-Inseln und Lungen-Atemwegsepithel an.
Einsatz von Organ on a Chip in Studien zur Langlebigkeit
Organoide und die Mikrofluidik-Chiptechnologie stellen bedeutende Fortschritte in der Molekularbiologie dar. Organoide, Miniaturmodelle von Organen, die aus Stammzellen erzeugt werden, ahmen die Morphologie und Funktion echter Organe wirksam nach. Bei Organs-on-a-Chip hingegen werden auf Kunststoff- oder Polymeroberflächen kunstvoll geschnitzte Tunnel zur Aufnahme von Zellen verwendet, die den Blutfluss im menschlichen Körper anregen. Diese Technologien haben sich als Lösungen für die Herausforderungen der Arzneimittelentwicklung erwiesen, die oft langsam und kostspielig ist und aufgrund unzureichender Prognoseinstrumente scheitern kann. Durch die Kombination von Organoiden und Organs-on-Chips zu „Organoids-on-Chips“ können Forscher die biologische Genauigkeit von Organoiden mit den dynamischen Fähigkeiten von Mikrofluidik-Chips kombinieren, was eine genauere Untersuchung von Krankheitsmerkmalen und Arzneimittelreaktionen ermöglicht. Die Integration eines funktionalen Gefäßsystems in Organoide erhöht beispielsweise deren Komplexität und physiologische Relevanz. Das Potenzial von Organoids-on-Chips geht über das Arzneimittel-Screening hinaus und umfasst auch Anwendungen in der regenerativen Medizin und der biologischen Grundlagenforschung. Diese Technologien könnten die medizinische Forschung und die Praktiken der Arzneimittelentwicklung revolutionieren und möglicherweise Tierversuche in toxikologischen Studien ersetzen und personalisierte Therapien entwickeln.
BIOFABICS, ein portugiesisches Start-up-Unternehmen, das im Rahmen des Forschungs- und Innovationsprogramms Horizont 2020 der Europäischen Union gefördert wird, leistet Pionierarbeit bei der Entwicklung kundenspezifischer Design-Tools für die Biofabrikation, insbesondere auf dem aufstrebenden Gebiet der Organ-on-Chip-Technologie (OOC). Das Ziel des Unternehmens ist es, automatisierte Anpassungsprozesse zu nutzen, die es den Nutzern ermöglichen, große Arrays miteinander verbundener Organmodelle zu erstellen. Derzeit ist BIOFABICS hauptsächlich in der präklinischen Forschung tätig.
Im Jahr 2022 wählte die NASA in Zusammenarbeit mit den National Institutes of Health (NIH), der Biomedical Advanced Research and Development Authority (BARDA) des Gesundheitsministeriums und der Food and Drug Administration (FDA) acht Forschungsprojekte aus, um die Lebensdauer von 3D-Gewebechips auf mindestens sechs Monate zu verlängern. Diese behördenübergreifenden Bemühungen zielten darauf ab, die Lebensfähigkeit von Gewebe und die physiologische Funktion durch automatisierte technische Möglichkeiten zu verlängern, die Echtzeit-Online-Messungen in komplexen menschlichen In-vitro-Modellen, wie Gewebechips oder mikrophysiologischen Systemen, ermöglichen. Zu den wissenschaftlichen Zielen dieser Initiative gehörte es, tiefere Einblicke in Krankheitsmodelle zu gewinnen, die Entwicklung von Medikamenten zu erleichtern, das Design klinischer Studien zu optimieren, chemische und umweltbedingte Belastungen und Gegenmaßnahmen zu verstehen und physiologische Veränderungen zu untersuchen, die durch die Weltraumumgebung verursacht werden. Entscheidend für den Erfolg dieser Bemühungen ist die eingehende Charakterisierung von Gewebechips, insbesondere bei der Unterscheidung zwischen akuten und chronischen Expositionen, was einen bedeutenden Fortschritt in der Entwicklung dieser Technologien darstellt.
Die gute Nachricht des Monats: Verjüngung der Immunität im Alter durch Abbau von myeloiden Stammzellen
Forscher der Universität Stanford (USA) fanden heraus, dass die Abreicherung von myeloiden hämatopoetischen Stammzellen (my-HSCs) bei gealterten Mäusen deren Immunsystem verjüngte, indem sie Lymphozytenvorläufer, naive T-Zellen und B-Zellen stärkten. Dies führte zu einer verbesserten Immunantwort auf Virusinfektionen und deutet auf einen möglichen Ansatz zur Bekämpfung von altersbedingtem Immunabbau und Entzündungen hin.
Für weitere Informationen
● Heales, Longevity Escape Velocity Foundation, International Longevity Alliance, Longecity, und Lifespan.io