Röcheln im Lungenchip

16. Juli 2010
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Wer wissen will, wie Medikamente oder Giftstoffe auf die Lunge wirken, der muss Tiere töten. Oder baut Organ-on-a-chip-Modelle, die Antworten liefern. Ein bisschen Synthetik, ordentlich Vakuum, E. coli drauf und fertig ist die Pneumonie aus der Dose.

Die Computerindustrie ist der Ansprechpartner der Wahl, wenn es darum geht, wie auf allerkleinstem Raum unendlich präzise gearbeitet werden kann. Dieser Auffassung war auch ein Team von Wissenschaftlern um Donald E. Ingber, Direktor des Wyss Instituts für biologisch inspiriertes Ingenieurswesen an der Harvard Medical School in Boston. Die Forscher haben sich des Know-hows der Chiphersteller bedient, um einen neuen Bio-Chip zu entwerfen. Genau genommen geht es um ein so genanntes „Organ-on-a-chip“, eine künstliche Lunge, die in Struktur und Eigenschaften jene alveolären Säckchen nachahmt, ohne die es für den Menschen weder Gasaustausch noch Überleben gibt.

Und er schuf die Lunge nach ihrem Ebenbild

Die Herausforderung dabei war, einerseits die zelluläre Grenzschicht zwischen Luft und Blutbahn nachzubilden – natürlich unter Einsatz von Originalmaterialien, sprich Epithelzellen der Alveolen und Endothelzellen der Kapillaren. Nachgebaut werden musste aber auch die Mechanik der Lunge. Denn die Grenzschicht sollte atmen, ganz ähnlich wie das die menschliche Lunge tut, wenn sie im Thorax schlummert. Der Trick, der Ingber und seine Kollegen zum Erfolg führte, bestand in einer mit Methoden der Chipherstellung erzeugten synthetischen Matrix mit darin eingelassenen Kanälen. In einem dieser Kanäle wurde die Grenzschicht aus Alveolarzellen und Endothelzellen nachgebildet, auf einer Seite Luft, auf der anderen Flüssigkeit. Die anderen Kanäle dienten als Anschlusspunkte für eine Art miniaturisierte Luftpumpe: „Wir legen dort ein Vakuum an, das dazu führt, dass sich die Zellschicht ausdehnt und wieder zusammenzieht“, so Ingber. Mit anderen Worten: Das Modell verhält sich ganz so, wie sich auch die Alveolarwand verhält, wenn sich Rippenbogen und Zwerchfell heben und senken. „Wir haben damit die Möglichkeit, die Reaktionen der Lunge auf Krankheitserreger oder auch auf Umweltgifte zu untersuchen“, so Ingber. „Wir können nur dann wirklich verstehen, wie die Biologie funktioniert, wenn wir sie auch physikalisch-mechanisch in dem Kontext ansiedeln, der für echte Organe gilt. Der Einsatz von Vakuum in unserem Modell imitiert die Natur.“ Für Ingber ist sein Lungenmodell, über das er in der Fachzeitschrift Science berichtet hat, ein Prototyp für Modelle anderer Organe, die in ähnlicher Weise erzeugt werden könnten. „Das könnte irgendwann dazu beitragen, eine große Zahl an Tierversuchen einzusparen“, betont der Experte.

Erwünscht: Künstliche Lungenentzündung

Mittlerweile haben die Harvard-Forscher erste Experimente mit dem Modell unternommen, in denen sie zeigen können, dass ihre Simulation der Natur auf einem Chip tatsächlich relativ gut gelungen ist. So wurde untersucht, was passiert, wenn das Lungenmodell einer Infektion mit Escherichia coli ausgesetzt wird, eine simulierte Lungenentzündung, wenn man so will. Durch den Luftkanal wurden E. coli-Bakterien auf die Lungenseite des Modells geblasen. Gleichzeitig wurde das Kulturmedium auf der Blutseite mit weißen Blutkörperchen angereichert. Was die Natur in einer solchen Situation macht, ist Schadensbegrenzung. Sie schickt ihre Abwehrzellen raus ins kalte Alveolarmilieu, um dort zu retten, was noch zu retten ist. Im Modell funktionierte das tatsächlich genau so. Die Alveolarzellen erkannten die Bakterien und sendeten ein Signal in Richtung Blutgefäß. Daraufhin machten sich die Leukozyten auf den Marsch durch die sich rhythmisch dehnende und wieder zusammenziehende Alveolarwand. Im Luftkompartment zerstörten sie die Bakterien.

Der nächste Schritt: Personalisierte Modelle für die Pharma-Forschung

Nach diesem Erfolg machten die Wissenschaftler dann ein weiteres Experiment. Statt Bakterien bliesen sie Nanopartikel in das Lungenmodell, um zu sehen, was die simulierte Lunge wohl damit machen würde – und zwar einmal im atmenden und einmal im nicht atmenden Zustand. „Wir haben festgestellt, dass die Tätigkeit des Atmens die Absorption von Nanopartikeln deutlich verstärkt, betont Dan Huh, der Leiter des Projekts simulierte Lunge. Das war bisher so nicht bekannt.

Einige offene Flanken hat das Lungenmodell der Bostoner Forscher derzeit noch. So konnte bisher noch nicht gezeigt werden, dass sich auch der Gasaustausch über die künstliche Alveolarwand hinweg simulieren lässt. Daran wird gerade gearbeitet. Auch wäre denkbar, dass sich die Lungen unterschiedlicher Menschen hinsichtlich ihres Verhaltens gegenüber Fremdkörpern unterscheiden. Dieser Punkt ist besonders spannend: Denn im Prinzip könnten für die Erzeugung eines Organmodells patienteneigene Zellen genommen werden. Damit ließe sich ein Lungenmodell erzeugen, das sich exakt so verhält wie die Lunge des Patienten, für den zum Beispiel eine optimale Therapie gesucht wird. Wenn dann noch andere Organmodelle wie Darm oder Leber auf denselben Chip gepackt werden, könnten Pharma-Forscher gleich auch noch unerwünschte Organwirkungen eines Medikaments mit untersuchen. „Hier eröffnen sich wirklich ganz neue Wege für die Arzneimittelentwicklung“, ist Ingber überzeugt.

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Medizin

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6 Kommentare:

Gesundheits- und Krankenpfleger

Birgit Winkler schrieb:
“Wenn das tatsächlich funktioniert,wäre es ein riesiger Entwicklungsschritt….würde viele Leiden und Qualen beenden und eine unglaubliche Bereicherung an Lebensqualität für Mensch und Tier bedeuten.”

Sofern es nicht nur für einige wenige zugänglich ist, weil der “Allgemeinpatient” es sich nicht leisten kann

Aber die Hoffnung stirbt bekanntlich zuletzt

#6 |
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Thomas Krekel
Thomas Krekel

E.coli in die Lunge geblasen, na hoffentlich hält sich auch der Rest der Keime zurück, aber guter Ansatz, schnell weiter den der Microcosmos wartet nicht, und entwickelt sich.

#5 |
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Evelyn Winges
Evelyn Winges

Wow!! Eine Supersache,wie einiges andere was dann doch nicht kommt,weil nicht genug damit zu verdienen ist.
Ich hoffe das es nicht so kommt! Wo ist eigentlich das neue Super-Antibiotikum, “Krokdilin”geblieben? Aber ehrlich..einfach Klasse,dieser Ansatzpunkt!!

#4 |
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Birgit Winkler
Birgit Winkler

Wenn das tatsächlich funktioniert,wäre es ein riesiger Entwicklungsschritt….würde viele Leiden und Qualen beenden und eine unglaubliche Bereicherung an Lebensqualität für Mensch und Tier bedeuten.

#3 |
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Dr. med. ERNST  H. Tremblau
Dr. med. ERNST H. Tremblau

Viele Ideen von Jules Verne ließen sich nach hundert Jahren
realisieren.
Es wäre zu hoffen, daß es in heutiger Zeit beschleunigter
Mitteilungen rascher geht.
Zweifel sind erlaubt wenn wir bedenken wollen, wie immer noch
allein der Mensch selbst der Datenflut Herr werden muß, um
Zusammenhänge zu erkennen odxer bildlich gesprochen wegen zu
vieler Bäume den Wald nicht merkt.
Was ist “genial” ? Fleiß und genaues Beobachten oder eine
nicht näher definierbare Genialität ?
Bei ehrlicher Arbeit bleiben beo dem Bio-Chip Hoffnung und
Respekt vor solcher den Menschen dienender Klugheit !
Also positive Skepsis !

#2 |
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Wenn das wirklich adequat funktioniert, eine geniale Erfindung!

#1 |
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