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26. Februar 2014, 11:10 Uhr

Medikamententests

Forscher basteln am menschlichen Computer-Dummy

Von Sascha Karberg

Hirn, Leber, Niere: Wissenschaftler bauen menschliche Organe als Computerchips nach. Die Miniaturen sollen Tierversuche bei Medikamententests überflüssig machen - und dabei helfen, Depression, Alzheimer oder Parkinson zu besiegen.

Wie Feuersalven entladen sich Nervenimpulse auf einem daumennagelgroßen Computerchip, die dazugehörigen Nervenzellen sind mit feinen Elektroden darauf befestigt. Die Neuronen agieren so, wie sie es im Hirn tun. Über hauchdünne Leiterbahnen werden die elektrischen Impulse zu einem Rechner geleitet und dort aufgezeichnet. Eine spezielle Software erkennt in den neuronalen Schüssen typische Muster. "Wir können sogar die Aktivität einzelner Neuronen im Netzwerk messen und beobachten", sagt Olaf Schröder, Mathematiker und Geschäftsführer der Rostocker Biotech-Firma NeuroProof.

Im Auftrag von Medikamentenentwicklern träufelt Schröders Forscherteam neuartige Substanzen gegen Krankheiten wie Depression, Alzheimer oder Parkinson auf die Nervenzellen. Im Computer können die Forscher erkennen, ob die Zellen mit den gewünschten Trommelfeuerrhythmen reagieren - oder ob unerwartete oder gar schädliche Reaktionen auftauchen. Solche neuen Testverfahren sollen nicht nur Tierversuche ersetzen, sondern bessere Vorhersagen über die Erfolgschancen neuer Medikamente beim Patienten ermöglichen.

Viel zu oft scheitern Arzneien, die bei Maus oder Ratte zu wirken scheinen, beim Test am Menschen kläglich. Jetzt versuchen Forscher weltweit, neue, auf menschlichen Organminiaturen basierende Testsysteme zu etablieren. Sie haben sogar schon begonnen, mehrere Mini-Gewebe auf einem Chip zu verschalten - zu menschlichen Mini-Dummys. Im ersten Schritt verwenden die Entwickler dafür Gewebezellen aus Mäusegehirnen. Sind sie damit erfolgreich, ersetzen sie diese Nervenzellen später durch Gewebe, das aus menschlichen Stammzellen gewonnen wurde.

Impulse wie im Hirn

"Die Nervenzellen feuern spontan und in etwa so, wie sie es auch im Hirn tun würden," sagt Schröder. Das sei der Normalzustand. "Wenn wir dann eine Substanz dazugeben, sehen wir das veränderte Signalmuster." Die Dummy-Nervenzellen auf den Chips von NeuroProof sind bereits mit über hundert verschiedenen Substanzen konfrontiert und die Reaktionsmuster in einer Datenbank gespeichert worden.

"Wenn wir jetzt eine neue Substanz testen, dann können wir sehr schnell sagen, dass sie wie diese oder jene bekannte Substanz antidepressiv, gegen epileptische Anfälle oder Alzheimer wirken könnte", so Schröder.

Die Technik, um die Impulse der Nervenzellen abzuleiten, haben Forscher schon in den siebziger Jahren entwickelt. Doch erst Schröders Team hat in einem Landesforschungsschwerpunkt Mecklenburg-Vorpommerns die Computeranalyse mit Hilfe neuer Algorithmen und Mustererkennungsverfahren so weit entwickelt, dass die anfallenden Datenmassen überhaupt interpretiert werden können.

Menschenimitat fürs Labor

Aber selbst wenn ein Nervenzell-, Leber- oder Hauttest die Reaktion des jeweiligen Gewebes im Menschen perfekt widerspiegeln kann - die Reaktion des kompletten menschlichen Organismus auf ein Medikament lässt sich mit einem Test an einem einzelnen Gewebe nicht simulieren. "Der Körper ist mehr als nur die Summe einzelner Gewebe oder Organe und nur komplexe Systeme können uns sagen, wie die Organe zusammenspielen", sagt Thomas Hartung, Pharmakologe an der Johns Hopkins University in Baltimore.

In den USA versucht nun ein bisher einzigartiges Forschungskonsortium, mehrere Gewebe auf einem Chip zu verschalten. Bis 2017 wollen die National Institutes of Health (NIH), die Medikamentenzulassungsbehörde FDA und die Defense Advanced Research Projects Agency (Darpa), den "Human on a Chip", eine Miniaturversion des Menschen, konstruieren.

"Patienten, die Pharmaindustrie, wir alle sind frustriert, dass wir so viel medizinisches Wissen anhäufen, es aber noch kaum in medizinischen Fortschritt umsetzen konnten", sagt Jesse Goodman. Der FDA-Forschungschef hofft, dass die Zusammenarbeit mit Firmen und Grundlagenforschern zu Organ-Chips führt, die menschlichen Organen ausreichend ähneln und so die Produktivität der Medikamentenentwicklung verbessern können.

Jeweils 70 Millionen Dollar investieren die Institute deshalb in das "Tissue for Drug Screening"-Programm, womit rund 20 Forschungsgruppen im ganzen Land die Organimitate chipfähig machen sollen. Darunter auch das Wyss-Institut for Biologically Inspired Engineering der Harvard University. Dort wird an 14 verschiedenen Organ-Chips gearbeitet, darunter beispielsweise ein Lungen-Chip, der sogar das Ein- und Ausatmen simuliert.

Vernetzung von zehn Organen

Bis 2017 sollen zehn der Chips so miteinander verbunden sein, dass zum Beispiel ein neues Asthma-Medikament auf ein Lungenimitat gesprüht und verfolgt werden kann, wie es über einen künstlichen Blutkreislauf zur Miniaturleber gelangt und welche Wirkung eventuelle Abbauprodukte auf Nieren-, Haut- und andere Zellen des menschlichen Körpers haben.

Ausgestattet mit je 37 Millionen Dollar und im Wettstreit entwickeln das Wyss-Institut und Forscher am Massachusetts Institute of Technology ein System, das die Vernetzung von zehn Organen in einem handlichen Automaten ermöglichen soll. Keine einfache Aufgabe, denn was passiert, wenn die Chipkonstruktion eine schädliche Substanz auf dem Weg von der künstlichen Leber zur Mini-Niere zu stark verdünnt und die Nierenzellen nicht so wie im Patienten reagieren?

Es seien noch eine ganze Reihe technischer Probleme zu lösen, bevor man Multi-Organ-Chips einsetzen könne, sagt Thomas Jones, Leiter der Toxikologie und Pathologie-Abteilung beim Pharmakonzern Eli Lilly. "Aber ich bin sicher, dass sie die Art und Weise, wie wir Medikamente entwickeln, verändern werden."

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