Herz-on-a-Chip-Systeme: Mikrofluidik beschleunigt Arzneimittelforschung und -einführung
Tierversuche sind in der Arzneimittelforschung seit vielen Jahrzehnten gängige Praxis. Allerdings wirft letztere nicht nur ethische Bedenken auf, sondern sie liefert oft auch keine verlässlichen Ergebnisse für die Anwendung beim Menschen. Insgesamt gelangen nur 10 % der Arzneimittel aus Tierversuchen in die klinische Prüfung am Menschen.
Diese geringe Ausbeute bzw. der hohe Zeit- und Kostenaufwand bis zur Markteinführung belastet die Budgets von Versicherungen und öffentlichen Gesundheitssystemen. Das wachsende gesellschaftliche Bewusstsein für Tierschutzbelange erhöht den Druck auf die Pharmaindustrie, nach alternativen Forschungsmethoden zu suchen.
Die Dringlichkeit, ethische Standards einzuhalten und gesetzliche Bestimmungen zu erfüllen, treibt die Suche nach neuen Forschungsmethoden voran. Dabei hat sich die Mikrofluidik als vielversprechender Kandidat erwiesen, um die Anzahl der Tierversuche zu reduzieren.
Organ-on-a-Chip-Systeme
Indem mikrofluidische Chips mit menschlichen Zellen besiedelt werden, entstehen dreidimensionale Zellkulturen, die die komplexen physiologischen Prozesse und Wechselwirkungen in menschlichen Organen simulieren. Durch die Zugabe von Medikamenten zum System können gezielt Wechselwirkungen mit den simulierten Geweben untersucht werden. Die so gewonnenen Daten zu Toxizität und Wirkprofilen können für die regulatorische Zulassung herangezogen werden; auch die FDA erkennt sie inzwischen als Ergänzung oder Ersatz für traditionelle Tierversuche an.
Zahlreiche Forschungsgruppen, darunter das Los Alamos National Laboratory (mit Fokus auf Lungenmodelle) und die Universität Hongkong (Hornhautmodelle), haben die vielseitigen Einsatzmöglichkeiten von Organ-on-a-Chip-Plattformen erfolgreich demonstriert. Die Systeme können verlässliche Vorhersagen über die Wirksamkeit und Sicherheit von Medikamenten treffen. Dadurch gewinnt die Technologie an Bedeutung und trägt zu einem Paradigmenwechsel in der Arzneimittelentwicklung bei.
Herz-on-a-Chip
Einem Forschungsteam unter der Leitung von Dr. Darwin Reyes-Hernandez, Ingenieur für Biomedizinische Technik an der US-Bundesbehörde für Standards und Technologie (NIST), ist im Bereich der Mikrosysteme und Nanotechnologie ein wichtiger Durchbruch bei Herz-on-a-Chip-Modellen gelungen. Die in der Zeitschrift „Lab on a Chip“ vorgestellte Studie unterstreicht das Potenzial mikrofluidischer Systeme für die Herzforschung. Durch die realitätsnahe Simulation von Herzinfarkten können neue Therapieansätze schneller und effizienter entwickelt werden. Bei einem Herzinfarkt sterben Herzmuskelzellen ab, weil sie nicht mehr ausreichend mit Blut versorgt werden.
Aktuelle Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass Herzmuskelzellen sich in ähnlicher Weise regenerieren können wie Leberzellen. Daraus ergeben sich vielversprechende Therapieansätze und bessere Prognosen für Herzpatienten. Durch den Einsatz von Herz-on-a-Chip-Systemen kann die Zeitspanne zwischen der Entwicklung neuer Behandlungen und ihrer Zulassung erheblich verkürzt werden, da diese Modelle eine schnelle und zuverlässige Vorabbewertung ermöglichen.
Die neue Plattform des NIST
Das am NIST entwickelte Heart-on-a-Chip-System basiert auf einer innovativen Plattformtechnologie. Durch die Miniaturisierung werden die Diffusionswege von Zellen und Molekülen verkürzt, sodass dynamische Prozesse wie die Zellmigration, Proliferation und Differenzierung schneller ablaufen. Daraus lassen sich neue Erkenntnisse über zelluläre Mechanismen gewinnen, so Dr. Reyes-Hernandez. Mithilfe eines neuartigen Trans-Well-Systems werden Zellen auf der Ober- und Unterseite einer mikrofluidischen Membran im Abstand von 11 µm positioniert.
Eine Reihe von Goldelektroden ermöglicht präzise Impedanzmessungen. Die kontinuierliche Echtzeit-Analyse von Zellmigrationen mittels dieses Verfahrens könnte auch in der Krebsforschung wichtige neue Erkenntnisse liefern.
„Glücklicherweise haben wir direkten Zugang zur NanoFab des NIST. Hier können wir die für unsere innovative Mikrofluidik-Plattform notwendigen Mikrostrukturen mithilfe der Photolithographie selbst herstellen“, erzählt Dr. Reyes-Hernandez. „Durch den Einsatz moderner Fertigungsverfahren haben wir eine Lösung entwickelt, die neue Maßstäbe in der Bekämpfung der Volkskrankheit Nr. 1 setzt.“
Hochmoderne Anlagen für die Mikrosystemfertigung
Durch innovative Fertigungswerkzeuge wie die NanoFab des NIST erhalten Unternehmen und Forschungseinrichtungen die Möglichkeit, neue Produkte und Verfahren zu entwickeln. Die Goodfellow-Mikrofertigungsabteilung unterstützt Forschungsgruppen ohne eigene Fertigungseinrichtungen bei der Produktion maßgeschneiderter Mikrolösungen im Bereich von 1 bis 200 Mikrometern. Dabei kommen innovative Verfahren wie UV-Laser- und Mikro-CNC-Bearbeitung zum Einsatz. Von der ersten Prototypenentwicklung bis zur Serienproduktion bieten wir unseren Kunden eine durchgängige Lösung, die eine schnelle Markteinführung und flexible Anpassung an wechselnde Marktbedürfnisse ermöglicht.
Für anspruchsvolle Miniaturisierungsprojekte ist Goodfellow Ihr kompetenter Partner.
