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NEUIGKEITEN

Organ-Chip-Systeme erkennen Nebenwirkungen von Medikamenten besser als Tierversuche

Bahnbrechende Entwicklungen aus der Welt der tierversuchsfreien Methoden

24. März 2020

In zwei neuen Studien berichten Wissenschaftler des Harvards Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering über ihr innovatives 10-Organ-Chip-System, das einen menschlichen Körper im Miniformat darstellt. Das innovative Forschungssystem konnte bekannte Medikamentennebenwirkungen korrekt nachbilden und neue wichtige Wirkmechanismen aufdecken, die im Tierversuch nicht zu finden waren. In einer weiteren Studie analysierten Forscher der Wake Forest School of Medicine mittels menschlicher Mini-Organe 10 zugelassene Medikamente, die wegen unerwarteter schweren Nebenwirkungen vom Markt genommen wurden und konnten diese in fast allen Fällen in den Mini-Organen nachweisen. Der bundesweite Verein Ärzte gegen Tierversuche fordert eine massive Förderung und vorrangigen Einsatz der innovativen tierversuchsfreien Methoden für die Biomedizin in Deutschland.

Die modernen, menschenbasierten tierversuchsfreien Methoden sind weltweit auf dem Vormarsch. Davon zeugen die vielfältigen Forschungsmodelle wie etwa menschliche Mini-Organe und Multi-Organ-Chips (MOCs), die immer mehr an Bedeutung gewinnen. Vor kurzem haben Forscher des Harvards Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering in Boston, USA, zwei Studien veröffentlicht, die ein noch relevanteres und komplexeres System beschreiben: den 10-Organ-Chip. Das ist ein System, das aus mehreren Kammern besteht, in denen bis zu 10 menschliche Mini-Organe gezüchtet werden können (1,2). Die Kammern sind mittels Mikrokanälen miteinander verbunden, deren Wände mit Blutgefäßwandzellen beschichtet sind, so ähneln sie kleinen Blutgefäßen. Durch diese Mikrokanäle fließt arterielles und venöses Blut, das einen Blutkreislauf wie im Körper nachahmt und die Mini-Organe können Hormone und Stoffwechselprodukte untereinander austauschen. So haben die Forscher Darm, Leber, Niere, Herz, Lungen, Haut, Bluthirnschranke und Gehirn jeweils im Miniformat miteinander zu einem funktionellen Netzwerk verbunden und einen Mini-Körper-auf dem Chip geschaffen. Mehrere Analysen zeigten, dass die Funktionen und Stoffwechselprozesse aller Mini-Organe diejenigen im menschlichen Körper nachbilden. „Ein häufiges Argument der Tierversuchsbefürworter ist es, dass nur ein gesamter Organismus für die Erforschung komplexer Prozesse in der Biomedizin geeignet sei. Diese Studien beweisen aber, dass eine für die Menschen relevante Komplexität nur mittels menschenbasierter tierversuchsfreier Systeme möglich ist“, sagt Dr. Dilyana Filipova, wissenschaftliche Mitarbeiterin bei Ärzte gegen Tierversuche.

Die Entwickler des 10-Organ-Chips begründen die dringende Notwendigkeit ihres Systems mit der schlechten Übertragbarkeit der Ergebnisse aus Tierversuchen auf den Menschen. Dies betont und kritisiert auch Ärzte gegen Tierversuche immer wieder. In einem weiteren Versuch untersuchen die Forscher die Auswirkungen verschiedener Chemotherapeutika und Strahlentherapien, die das Knochenmark und die Nieren schädigen, indem sie Mini-Leber, -Niere und -Knochenmark auf dem Chip anbringen (3). Die toxischen Effekte, die bei den Patienten auftreten, konnten auch bei diesen Mini-Organen beobachtet werden. Darüber hinaus entdeckten die Forscher noch unbekannte Giftigkeitsmechanismen und Wechselwirkungen, die im Tierversuch nicht gezeigt wurden. Die Wissenschaftler betonen, dass ihr System sich für die personalisierte Untersuchung jedes einzelnen Patienten eignet. Das stelle eine große Chance für die Patienten mit seltenen Krankheiten dar, für die die übliche Erforschung und Medikamentenentwicklung zu teuer ist und häufig von den Pharmaunternehmen nicht durchgeführt wird. „Solche Systeme erlauben die Ermittlung des Krankheitsprofils und des besten Medikaments für jeden einzelnen Patienten“, so Dr. Filipova.

Eine andere Studie der Wake Forest School of Medicine in Winston-Salem, North Carolina, USA, hat 10 zugelassene Medikamente untersucht, die sich im Tierversuch als unbedenklich erwiesen hatten, aber bei Menschen zu hochgradigen Nebenwirkungen am Herzen oder in der Leber geführt haben und deswegen vom Markt genommen wurden (4). Die Forscher analysierten die Effekte dieser Medikamente in menschlichen Mini-Lebern oder Mini-Herzen und konnten für 7 von 10 Substanzen zweifelsfrei die bei Menschen festgestellten toxischen Auswirkungen nachweisen, während die Quote im Tierversuch bei 0 von 10 lag. Zudem wurden die Leber- und Herz-Organoide mit fünf nichtgiftigen Medikamenten inkubiert (Aspirin, Ibuprofen, Vitamin C, Loratadin und Quercetin). Die Übereinstimmung war hier 100%, d.h. es konnten keine toxischen Effekte beobachtet werden.

„Nach diesen Erkenntnissen wäre die weitere Durchführung von Tierversuchen in der Medikamentenentwicklung höchst unverantwortlich und würde eine fahrlässige Patientenschädigung darstellen“, so Dr. Filipova.

Die lange Reihe an vielversprechenden, menschenbasierten tierversuchsfreien Methoden wächst täglich. Viele Länder wie die Niederlande, Großbritannien und USA haben das große Potenzial dieser Systeme erkannt und finanzieren entsprechend ihre Entwicklung und Verbesserung. Deutschland dagegen investiert weniger als 1% der öffentlichen Fördermittel für biomedizinische Forschung in die tierversuchsfreien Methoden; die restlichen über 99% fließen in Tierversuche. „Um eine konkurrenzfähige, menschenrelevante Forschung auch hier in Deutschland betreiben zu können, ist eine massiv erhöhte Förderung der tierversuchsfreien Forschung dringend notwendig“, sagt Dr. Filipova.

Quellen:

1. Novak, R. et al.: Robotic fluidic coupling and interrogation of multiple vascularized organ chips. Nat Biomed Eng 2020; doi: 10.1038/s41551-019-0497-x

2. Herland, A. et al.: Quantitative prediction of human pharmacokinetic responses to drugs via fluidically coupled vascularized organ chips. Nat Biomed Eng 2020; doi: 10.1038/s41551-019-0498-9

3. Chou, D.B. et al.: On-chip recapitulation of clinical bone marrow toxicities and patient-specific pathophysiology. Nat Biomed Eng 2020; doi: 10.1038/s41551-019-0495-z

4. Skardal, A. et al.: Drug compound screening in single and integrated multi-organoid body-on-a-chip systems. Biofabrication. 2020; 12(2): 025017.

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