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Imec: Organ-on-Chip: Life-Sciences

Life-Sciences gehören zu den wichtigen Forschungsbereichen des belgischen Forschungsinstituts Imec.

Eye-Tracking-Brille Bildquelle: © Imec

Aufbau der Eye-Tracking-Brille

Die Grundidee dahinter: die Mikroelektronik bzw. Nanoelektronik nutzen, um neue Ansätze zum Beispiel in der Diagnose, für die DNA-Sequenzierung, Zell- und Gentherapie, Neurotechnologie, medizinische Bildgebung oder synthetische Biologie zu realisieren. Neuestes Ergebnis dieser Aktivitäten ist die vom Imec im Rahmen des InForMed-Projekts entwickelte Organ-on-Chip-Plattform, ein Projekt, das vom ECSEL Joint Undertaking finanziert wurde.

»Die Entwicklung eines Medikaments ist ein langer und teurer Prozess«, erklärt Dries Braeken, R&D Manager beim Imec. Es würden 15 bis 20 Jahre vergehen, bevor ein Medikament auf den Markt kommt, die Entwicklungskosten stiegen seit Jahren. »Mittlerweile kostet es 2,6 Mrd. Dollar, um ein Medikament auf den Markt zu bringen«, so Braeken weiter. Hinzu kommt noch, dass laut seiner Aussage 66 Prozent aller Kandidaten in der zweiten klinischen Phase durchfallen, vom Rest würden wiederum 30 Prozent in der 3. Phase rausfliegen.

Ein Hauptgrund für diese schlechten Ergebnisse liegt seiner Meinung nach im Fehlen von passenden Modellen, auf Basis derer eine bessere Vorhersagbarkeit möglich wäre. Oft werden Tiere genutzt, um neue Medikamente zu testen, wobei dies aus ethischen Gründen auf ein Minimum beschränkt ist. Darüber hinaus sind diese Tests teuer, zeitaufwändig und oft nicht repräsentativ für den menschlichen Körper. Ein viel besserer Ansatz sind »vermenschlichte Modelle«, um die Sicherheit und Effektivität eines Medikaments zu bestimmen.

Ein Weg dorthin ist die Stammzellenforschung mithilfe von IPS-Zellen, also induzierten pluripotenten Stammzellen. Diese IPS-Zellen sind Zellen, die beispielsweise in der Haut zu finden sind und die in Stammzellen umprogrammiert wurden. Diese IPS-Zellen eignen sich also auch als Labor-Modell, mit dem viele Substanzen getestet und so neue Wirkstoffe entdeckt werden können. Kombiniert man diesen Ansatz noch mit neuen Technologien wie Mikrofluidik, »so lassen sich bessere zelluläre In-Vitro-Modelle und damit Organs-on-Chips realisieren«, so Braeken weiter.

Organ-on-Chip-Systeme sind nicht neu. Braeken verweist in diesem Zusammenhang beispielsweise auf Systeme der Vanderbild University, des Wyss Institute, Harvard und der Cornell University. Aber alle bisherigen Systeme hätten ihre Nachteile, sei es die schwierige Bedienung, das Fehlen von Sensoren, eine begrenzte Auflösung der Messungen und niedriger Durchsatz, außerdem seien weder Technologie noch Herstellungsprozess skalierbar. Braeken betont: »Mithilfe der Nanotechnologie kann der Durchsatz erhöht werden, eine Auflösung bis hin zu einer einzigen Zelle erreicht werden und das Ganze ist auch noch skalierbar.«

Für das neue Organ-on-Chip-System kombiniert das Imec einen MEA-Chip mit einer Mikrofluidik-Well-Platte. Der MEA-Chip (Multi-Elektroden-Array) ermöglicht mehrere Messungen gleichzeitig. Er fungiert als Zellkulturplatte mit Kavitäten, in denen Zellen, Moleküle etc. platziert werden können. Der Chip ist mit 16.384 Elektroden in 16 Zonen ausgestattet und verfügt über sechs verschiedene Auslesemodalitäten. Jede Zone ist mit einer Mikrofluidik-Kammer über kleine Kanäle verbunden.

Die pipettierte Flüssigkeit, wie zum Beispiel die Medizin, die getestet wird, wird über diese Mikrokanäle mithilfe von integrierten Mikrofluidik-Pumpen in eine dieser 16 Zonen geführt, in der Zellen etc. wachsen. Die Zellen sind mit den Elektroden eng verbunden, sodass intra- und extrazelluläre Signale gemessen werden können. Der Chip kann auch für eine genaue Reprogrammierung der Zellen genutzt werden.

In dem Fall geben die Elektroden kleine Impulse an die Zelle ab, wodurch die Zellmembran elektroporiert wird und Moleküle und Lösungen eindringen können. Mithilfe dieser Methode können die Zellen kontrolliert differenziert werden und Gewebemodelle auf dem Chip erzeugt werden, die sehr ähnliche Eigenschaften aufweisen wie das eigentliche Organ.

Dank der Nanotechnologie und der sehr kleinen Elektroden ist es mit dem MEA möglich, auf einzelne Zellen zuzugreifen. Veerle Reumers, Projektleiter bei Imec, ist überzeugt, dass mit diesem Organ-on-Chip-System beispielsweise Herzzellen zu herzförmigem Gewebe heranwachsen kann, quasi Miniatur-Herzen auf einem Chip, mit denen die Wirkung von Medikamenten in einem biologisch relevanteren Kontext getestet werden können. Braeken weiter: »Und unser Fertigungsprozess ist skalierbar.« Braeken abschließend über die nächsten Schritte: »Derzeit findet eine Validierung mit Stammzellen von Patienten statt. Außerdem arbeiten wir daran, den Durchsatz weiter zu erhöhen und das System auch für andere organische Systeme wie Leber oder Gehirn nutzbar zu machen.«