iCHIP – Forscher entwickeln Minimensch im Chipformat

Nachbildung von Gehirn, Nervensystem, Blut-Hirn-Schranke und Herz

02. Juni 2016

Wissenschaftler und Ingenieure des Lawrence Livermore National Laboratory, Kalifornien, wollen mit einem neu entwickelten System iCHIP (in-vitro Chip-based Human Investigational Platform) eine Art Minimensch schaffen, der komplexe Untersuchungen von Stoffwechselvorgängen und Interaktionen im Körper erlaubt.

Der iCHIP bildet vier wesentliche biologische Systeme ab: Das zentrale Nervensystem, also das Gehirn, sowie das periphere Nervensystem, die Blut-Hirn-Schranke und das Herz.

„Die Testplattform dient dazu, unbekannte Effekte von Substanzen auf den Menschen zu untersuchen. Mit einem System, das die Lebensbedingungen des Menschen besser darstellt, können langwierige Tierversuche, die nicht unbedingt eine Aussage für den Menschen zulassen, über Bord geworfen werden“, sagt Dave Soscia, einer der Mitentwickler des iCHIP.

Die Wissenschaftler fokussieren auf die Untersuchung der Interaktionen zwischen den Nervenzellen im Gehirn und der Reaktion auf bestimmte Wirkstoffe. Sie testeten mit dem iCHIP Substanzen wie Koffein, Atropin (zur Behandlung von Vergiftungen oder Herzstillstand) oder Capsaicin (verursacht den Schärfereiz der Peperoni) sowie verschiedene Chemikalien.

Einzigartig an dem System ist, dass einzelne Hirnregionen miteinander verknüpft werden können. Entstehen kann ein solches Minihirn, indem zunächst Nervenzellen auf einem Mikroelektrodendatenträger angesiedelt werden, welche dann bis zu vier Hirnregionen ausbilden können, wie beispielsweise Hippocampus, Thalamus (Teil des Zwischenhirns), Basalganglien und Kortex (Großhirnrinde). Nach Gabe einer Substanz kann die elektrische Aktivität der Nervenzellen gemessen werden. Das iCHIP-System ermöglicht erstmalig die Untersuchung komplexer übergreifender Vorgänge in unterschiedlichen Hirnregionen. Die Zellen können mehrere Monate lang am Leben gehalten werden während ihre Aktivität dokumentiert wird.

Über die Hirn-Blutschranke werden im Körper giftige Stoffe aussortiert, bevor sie das zentrale Nervensystem erreichen können. Allerdings blockiert die Schranke so gut, dass auch Wirkstoffe, die möglicherweise einen therapeutischen Nutzen haben können, nicht durchgelassen werden. Im Rahmen des Projektes wird diese Hirn-Blutschranke auf einem Chip dargestellt, auf dem der Blutfluss wie im menschlichen Hirn simuliert wird. So können die zugrundeliegenden Mechanismen erforscht und potentielle Medikamente oder Impfstoffe entwickelt und getestet werden.

Weiter arbeiten die Wissenschaftler an einem Modell für das periphere Nervensystem, welches das Gehirn und die Organe miteinander verknüpft. Das System besteht aus in Glas eingebetteten Mikroelektroden und angesiedelten menschlichen Nervenzellen. Über eine durchströmende Flüssigkeit werden die Nervenzellen stimuliert und so beispielsweise die Schmerzreaktion ganz leidfrei untersucht. Während des Reizes können elektrischen Signale aufgezeichnet und Veränderungen in der Ionenkonzentration in der Zelle mikroskopisch dokumentiert werden. Im Gegensatz zu herkömmlichen elektrophysiologischen Untersuchungen an Zellen, bei denen die Zellen beschädigt werden, ist es mit diesem System möglich, über einen längeren Zeitraum Daten aus derselben Zelle zu gewinnen, was insbesondere dann von Vorteil ist, wenn menschliche Primärzellen verwendet werden, die in ihrer Verfügbarkeit begrenzt sind, und um Langzeiteffekte bei Exposition einer Chemikalie zu untersuchen.

Und schließlich haben die Wissenschaftler begonnen, ein Herz-auf-einem-Chip zu entwickeln. Dass Herzzellen einen Herzschlag zeigen, wenn sie elektrisch gereizt werden, konnte bereits gezeigt werden. Die Wissenschaftler haben sich zum Ziel gesetzt, die Systeme miteinander zu verknüpfen, um außerhalb des Körpers grundlegende wissenschaftliche Fragen zu untersuchen. Und künftig soll die angestrebte Nachbildung des ganzen menschlichen Körpers die Erforschung von Krankheitsmechanismen ermöglichen und so auch für die personalisierte Medizin genutzt werden.

Foto Julie Russell/LLNL

Quelle

Lawrence Livermore National Laboratory: 'Human-on-a-chip' could replace animal testing. 02.06.2016