Das Silikon-Meerschweinchen

Auf den ersten Blick könnte der Chip von Michael Shuler als jede kleine Siliziumplatte durchgehen, die aus einem Computer oder Handy herausgehebelt wird. Umso fehl am Platz auf einer Tischplatte im Forscherlabor der Cornell University, umgeben von Petrischalen, Bechern und anderem Bio-Unordnung und montiert in einer Plastikschale wie eine sezierte Maus. Der Chip scheint sich auf einer Art Lebenserhaltung zu befinden, in die rosa Flüssigkeit durch Schläuche gepumpt wird. Schuler weist methodisch mit einem Bleistift auf die Bestandteile des Chips hin: Hier ist die Leber, hier ist die Lunge, das ist Fett. Dann injiziert er ein experimentelles Medikament in das imitierte Blut, das durch diese Organe und Gewebe fließt – eigentlich winzige Labyrinthe aus sich drehenden Rohren und Kammern, die mit lebenden Zellen ausgekleidet sind. Die Verbindung reagiert mit anderen Chemikalien, reichert sich in einigen Organen an und passiert andere schnell. Nach mehreren Stunden werden Shuler und sein Team der Beantwortung einer Schlüsselfrage näher sein: Wird die Substanz, wenn sie einem echten Menschen verabreicht wird, wahrscheinlich mehr schaden als nützen?

Dieses sogenannte Tier auf einem Chip wurde entwickelt, um ein enormes Hindernis bei der Entdeckung neuer Medikamente zu überwinden: Es gibt derzeit keine schnelle und zuverlässige Möglichkeit, vorherzusagen, ob ein experimenteller Wirkstoff toxische Nebenwirkungen hat – ob er krank macht, anstatt zu verursachen Sie gut. Tierversuche sind das Beste, was Arzneimittelhersteller tun können, aber es ist langsam, teuer, oft ungenau und für viele anstößig. Um die Zahl der Tierversuche zu minimieren, screenen Pharmaunternehmen routinemäßig Wirkstoffkandidaten mit Zellkulturen – im Wesentlichen Klumpen lebender menschlicher oder tierischer Zellen, die in Petrischalen oder Reagenzgläsern wachsen. Der Ansatz ist relativ billig und einfach, aber er gibt nur eine verschwommene Vorhersage darüber, was mit einer Verbindung auf dem Umweg durch die Gewebe und Organe eines Tieres passieren wird.

Diese Geschichte war Teil unserer Ausgabe vom Juni 2004

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Shuler gehört zu einer Handvoll Forscher, die anspruchsvollere Zellkulturen entwickeln, die die komplexen Organe und Gewebe des Körpers simulieren. Linda Griffith, Gewebeingenieurin am MIT, hat zum Beispiel einen Chip gebaut, der einige der Funktionen einer Leber nachahmt, während Shuichi Takayama, ein biomedizinischer Ingenieur an der University of Michigan, einen Chip gebaut hat, der das Verhalten des Gefäßsystems imitiert (siehe Andere Animal-on-a-Chip-Bemühungen, unten). Aber während solche Bemühungen überzeugende Analoga von Teilen menschlicher oder tierischer Körper hervorgebracht haben, ist Shuler noch einen Schritt weiter gegangen. In Zusammenarbeit mit seinem Kollegen Greg Baxter, der Hurel mit Sitz in Beverly Hills, Kalifornien, ins Leben gerufen hat, um die Technologie zu kommerzialisieren, hat Shuler Repliken mehrerer Tierorgane auf einem einzigen Chip kombiniert, um einen groben Ersatz für ein ganzes Säugetier zu schaffen. Andere Versionen von Shulers Chips versuchen, noch weiter zu gehen, indem sie menschliche Zellen verwenden, um die Wirkung einer Verbindung im Körper getreuer zu reproduzieren.

Pharmaunternehmen sind daran interessiert, und kein Wunder: Sie stellen routinemäßig Tausende, sogar Zehntausende von Verbindungen her, in der Hoffnung, einen Wirkstoff zu finden, der gegen ein bestimmtes Ziel wirksam ist. Chips wie die von Shuler und Baxter könnten eine billige, schnelle und genaue Möglichkeit darstellen, Verbindungen auszusondern, die sich schließlich als toxisch erweisen würden, und Unternehmen Jahre und Millionen von Dollar bei der Entwicklung wertloser Medikamente sparen. Laut einer aktuellen Studie des Center for the Study of Drug Development der Tufts University gibt die Pharmaindustrie für jedes Medikament, das auf den Markt kommt, durchschnittlich 467 Millionen US-Dollar für Tests am Menschen aus – der Großteil des Geldes fließt in Medikamente, die versagen, entweder weil sie sind nicht wirksam oder weil sie sich als giftig erweisen. Wenn noch vor Beginn der Tierversuche mehr Fehler identifiziert werden könnten, könnten Unternehmen ihre Zeit und ihr Geld mehr auf die Gewinner konzentrieren. Jeder in der Branche hofft, beim Testen von Wirkstoffen Ersatz für Tiere und Menschen zu haben, sagt Jack Reynolds, Leiter der Sicherheitswissenschaften bei Pfizer, dem weltweit größten Pharmaunternehmen. Dies ist die Art von Technologie, die wir in unserer Toolbox haben möchten.

ANDERE TIER-ON-A-CHIP-BEMÜHUNGEN
Projektleiter	Gruppe	Technologie
Morgendämmerung Applegate	RegeneMed (San Diego, Kalifornien)	Mit menschlichem Lebergewebe ausgekleidete Chips für das Drogenscreening
Linda Griffith	MIT (Cambridge, MA)	Leber auf einem Chip für Drogenscreening
Paul Kosnik	Gewebeentstehung (Honolulu, HALLO)	Chips mit Gefäß- und Bandzellen zur Entwicklung von Gewebeersatz
Shuichi Takayama	Universität von Michigan (Ann Arbor, MI)	Zellkulturchips mit Kanälen, die das Gefäßsystem nachahmen
William Wang	Pharmacom (Iowa-Stadt, IA)	Chips für das Drogenscreening, die Zellen aus dem Gehirn und anderen Organen enthalten

Giftpillen

Der Werkzeugkasten der Medikamentenentwickler ist bereits mit einer Vielzahl einfacher Zellkulturtests gefüllt, mit denen schnell vorhergesagt werden soll, welche Medikamente toxische Nebenwirkungen haben werden. Das Problem bei diesen Tests ist, dass sie oft auch einfach. Ein typisches Szenario: Forscher spritzen eine Lösung mit einem experimentellen Medikament in Petrischalen, wo lebende Zellen aus der Lunge einer Ratte in einer nährstoffreichen Brühe schwimmen. Wenn die Zellen sterben, stellen die Forscher die Verbindung zusammen und versuchen es mit einer anderen; Wenn die Zellen überleben, beginnen sie mit dem langwierigen und teuren Testverfahren der Verbindung an Mäusen, Ratten und anderen Tieren. Aber das Versagen der Verbindung, die Lungenzellen abzutöten, bietet wenig Sicherheit, dass die Menschen nicht krank werden.

Nimmt ein Mensch ein Medikament ein, macht sein Wirkstoff eine wilde Fahrt, um zu den Zielzellen zu gelangen: Er kann vom Darm aufgenommen, von Enzymen in der Leber abgebaut, von Fettzellen wochenlang gehortet, vom Gehirn ausgesiebt werden Membran, und wirbelte durch die ganze Tortur immer und immer wieder vom Blut. In diesem Fall kann sich eine ansonsten harmlose Verbindung in einem bestimmten Organ anreichern, bis sie toxische Werte erreicht. Oder es kann in eine ganz andere Verbindung umgewandelt werden, die selbst giftig ist. Reynolds von Pfizer schätzt, dass ungefähr 40 Prozent der Arzneimittelkandidaten, die sich am Ende als unsicher erweisen, ihre Toxizität erlangen, nachdem sie im Körper in andere Verbindungen umgewandelt wurden.

Ein Grund, warum herkömmliche Zellkulturtests Forscher oft in die Irre führen, ist, dass sie nicht das komplexe Gebräu aus Enzymen und anderen Chemikalien darstellen, auf das ein Medikament in den verschiedenen Geweben des Körpers reagieren und mit ihm reagieren kann. Und einfache Zellkulturen verraten nicht, wie viel eines Medikaments tatsächlich in welcher Form und wie lange in die verschiedenen Zelltypen gelangt. Tatsächlich erweisen sich fast die Hälfte der Medikamente, die in Zellkulturtests als sicher erscheinen, in Tierversuchen als toxisch; und noch mehr scheitern, wenn sie auf die komplexen Gewebe und Organe des Menschen treffen. Die Forscher hoffen jedoch, dass Zellkulturen, die die Bedingungen im Körper besser simulieren, toxische Medikamente viel besser erkennen und die Abhängigkeit von Tier- und Menschenversuchen verringern. Der heilige Gral der Branche ist es, die Toxizität einer Zellkultur vorhersagen zu können, sagt Peter Lord, Leiter der mechanistischen Toxikologie in der präklinischen Entwicklung bei Johnson and Johnson Pharmaceutical Research and Development.

Winzige Klempnerarbeit

Michael Shuler ist ein 57-jähriger, schlaksiger Professor für Chemieingenieurwesen, der sich seit der Junior High School für biologische Prozesse interessiert. 1989 interessierte er sich für Toxizitätstests und dachte über die Unzuverlässigkeit konventioneller Zellkulturen nach, als ihm eine Idee kam: Könnte man eine Zellkultur herstellen, die die Reise durch die verschiedenen Organe nachbildet? Er erkannte darin ein chemietechnisches Problem: Glaskammern, die mit verschiedenen Zelltypen ausgekleidet und über Schläuche miteinander und mit einer Pumpe verbunden waren, die Flüssigkeit durch sie beförderte, würden einen Körper viel realistischer simulieren, und Tests mit ihnen könnten vorhersagen, was passiert bei lebenden Tieren viel genauer.

Nach mehreren Monaten hatten Shuler und seine Studenten ein Laborkonglomerat aus Zellen und Rohrleitungen konstruiert, das ein grobes Arbeitsmodell einer Reihe von Säugetierorganen lieferte. Es funktionierte irgendwie, aber Shuler wusste, dass es ein großes Problem mit seiner Genauigkeit gab: Fast die gesamte Chemie im Körper findet in Geweben statt, die mit winzigen Kanälen und Kammern gefüllt sind, wo kritische Reaktionen von der Fähigkeit verschiedener Chemikalien abhängen, sich in einigen zu konzentrieren Orten und in anderen diffundieren, teilweise abhängig von der mikroskopischen Geographie. Alles in großen Bechern zu vermischen, würde dieses empfindliche Gleichgewicht verzerren. Außerdem wäre das System bei dieser Größe nicht praktisch oder billig genug für groß angelegte Tests.

Inzwischen war der Molekularbiologe Greg Baxter gerade als Forscher in Cornells Nanobiotechnology Center eingetreten. Sein Spezialgebiet war Mikrofluidik Рim Wesentlichen mikroskopische Rohrleitungen auf einem Chip. An seinem zweiten Tag kn̦pfte er Shuler in seinem Labor und fragte sich, ob er irgendwelche Projekte hatte, die von der Ultraminiaturisierung profitieren k̦nnten. Komisch, dass Sie fragen sollten, sagte Shuler.

Es dauerte nur zwei Sitzungen, um das grundlegende Chipdesign auszuarbeiten, und ein Jahr, um den ersten Prototypen zu produzieren. Um eines der Geräte zu bauen, schnitzen die Forscher winzige Gräben, die wie schwache Kratzer aussehen, in einen daumennagelgroßen Siliziumchip; diese Gräben dienen als flüssigkeitsführende Rohre. Mikrofluidische Features auf Chips herzustellen, um chemische Reaktionen zu testen und biologische Prozesse zu imitieren, ist nicht neu. Aber durch die Kombination ihrer Fähigkeiten in Chemieingenieurwesen und Mikrofabrikation fügen Shuler und Baxter eine entscheidende Wendung hinzu: Sie haben die Größen, Längen und das Layout aller Gräben entwickelt, um die Flüssigkeitsströme und chemischen Belastungen, denen Zellen ausgesetzt sind, genau nachzubilden echte Organe.

Die Gräben fungieren als Ersatzblutgefäße, die Chemikalien innerhalb und zwischen den Ersatzorganen des Chips transportieren, die selbst aus Gräben bestehen, die eng spiralförmig sind oder sich zu dichten Klumpen von etwa einem halben Zentimeter Breite schlängeln. Tausende von lebenden Zellen sind am Boden der Gräben jedes Organs befestigt. Eine ziegelsteingroße externe Pumpe zirkuliert eine nährstoffreiche Flüssigkeit – ein Ersatz für Blut – durch den Chip. Wenn der Flüssigkeit eine Testverbindung zugesetzt wird, ist ihre Siliziumreise ungefähr analog zu der, die sie in einem lebenden Säugetier durchmachen würde, dank 13 Jahren Herumspielen mit der Größe, dem Muster und den Verbindungen jedes Organs sowie mit den Größen und Formen der verschiedene Gräben. Wir wollten, dass die Umgebung der Zellen so realistisch wie möglich ist, von der Zufuhr von Nährstoffen über die Entfernung von Abfallprodukten bis hin zu den mechanischen Belastungen, denen sie ausgesetzt ist, sagt Shuler.

Nachdem eine Testverbindung mehrere Stunden durch den Chip zirkuliert hat, werden die Zellen im Chip überwacht, entweder mit einem Mikroskop oder über eingebettete Sensoren, die auf Sauerstoff und andere Indikatoren testen können. Nehmen die Zellen die Verbindung auf? Macht es sie krank oder tötet es sie? Wie bei einem echten Tier spielt jedes Organ oder Gewebe im Chip eine bestimmte Rolle. Leber und Darm spalten zum Beispiel manche Verbindungen in kleinere Moleküle auf, während das Fett, das nicht nur mit Zellen, sondern auch mit einem schwammartigen Gel zusammengestopft ist, oft Verbindungen zurückhält und sie später austreten lassen. Ein Zielorgan oder -gewebe wird normalerweise eingeschlossen, um die endgültigen Wirkungen der Verbindung zu demonstrieren; Dies kann ein Krebstumor oder ein besonders anfälliges Gewebe wie die Lunge oder das Knochenmark sein.

Die Chips müssen natürlich ausgiebig getestet werden, bevor Pharmafirmen sie in großem Umfang verwenden. Dennoch sind die ersten Anzeichen ermutigend. Shuler führte ein Experiment mit Naphthalin durch, einer Verbindung, die in Mottenkugeln und Pestiziden verwendet wird. Übermäßige Exposition verursacht Lungenschäden, aber Sie würden es von Standard-Zellkulturtests nicht wissen. Das liegt daran, dass der Schuldige nicht Naphthalin selbst ist, sondern zwei Chemikalien, die von der Leber produziert werden, wenn sie Naphthalin abbaut. Wenn Sie das wüssten und diese Nebenprodukte direkt auf Lungenzellen in Kultur spritzen würden, würden Sie eine so starke Reaktion beobachten, dass Sie schlussfolgern würden, dass selbst eine geringfügige Exposition gegenüber Naphthalin äußerst gefährlich ist. Aber das ist auch falsch; Wie sich herausstellt, reißen Fettzellen viele der giftigen Verbindungen aus dem System. Shulers Chip ahmt diese Ereigniskette überzeugend nach und liefert ein realistisches Maß für den Schaden.

Solch eine präzise Simulation verspricht, Pharmaunternehmen dabei zu helfen, ihr Screening von Medikamentenkandidaten zu verbessern – und weniger Zeit und Geld für diejenigen zu verschwenden, die Tierversuche letztendlich nicht bestehen werden. Laut Baxter sind die Chips derzeit für eine solche Anwendung bereit, und sechs große Unternehmen sprechen derzeit mit Hurel über die Übernahme der Technologie. Shuler, unterstützt von einem Team von Studenten und Mitarbeitern bei Cornell und anderswo, arbeitet daran, die Technologie weiter zu verkleinern und zu automatisieren. Das Ziel: eine blattgroße Bank mit 96 Chips, die in ein Roboterlabor eingesteckt werden kann, das sehr schnell Testmedikamente hinzufügt und die Ergebnisse überwacht. Das System könnte nicht nur konventionelle Zellkulturen ersetzen, sondern auch die Abhängigkeit von Tierversuchen reduzieren, bei denen Forscher eine große Anzahl von Tieren verwenden müssen, um verschiedene Dosen eines Medikaments zu testen, und diese Tiere im Laufe der Zeit überwachen müssen, um subtile Nebenwirkungen zu erkennen. Wir sprechen davon, einen Test in ein oder zwei Tagen durchzuführen, der bei Tieren Monate dauern würde, sagt Shuler. Shuler prognostiziert einen Produktionspreis von etwa 50 US-Dollar pro Chip inklusive Zellen, verglichen mit den Hunderten oder sogar Tausenden von US-Dollar, die für den Erwerb und die Wartung eines einzelnen Labortiers erforderlich sind.

Art von Mensch

Chips, die die Funktionsweise von Tieren nachbilden, werden wahrscheinlich die ersten Versionen der Technologie sein, die eine kommerzielle Wirkung haben. Aber die Hoffnung ist, dass Human-on-a-Chip-Versionen, sobald sich herausstellt, dass sie die Ergebnisse von Tierversuchen genau vorhersagen, einen guten Hinweis darauf geben, wie toxisch sich ein Medikament in Studien am Menschen wahrscheinlich erweisen wird.

Tierversuche spielen diese Rolle jetzt, aber nicht sehr gut. Vier von fünf Medikamenten, die es durch Tierversuche schaffen, scheitern in klinischen Studien am Menschen, normalerweise aufgrund von Sicherheitsbedenken. Ein Teil des Problems ist, dass Mäuse Ihnen nicht sagen können, dass sie Kopfschmerzen, verschwommenes Sehen oder Magenkrämpfe haben. Aber das größere Problem ist einfach, dass die Organe von Tieren und die Prozesse, die in ihnen ablaufen, nicht mit denen des Menschen identisch sind. Niemand weiß, wie viele Medikamente, die für den Menschen sicher gewesen wären, auf Eis gelegt wurden, weil sie einigen Tieren übel wurden. (Penicillin ist zum Beispiel für Meerschweinchen giftig, wurde aber glücklicherweise auch an Mäusen getestet.)

Chips, die simuliertes menschliches Gewebe und Organe enthalten, könnten es Forschern auch ermöglichen, komplizierte Multi-Drug-Schemata zur Behandlung verschiedener Krankheiten auszuarbeiten, ohne Patienten quälenden Runden von Versuch und Irrtum zu unterziehen. Shuler zum Beispiel konzentriert sich auf Anti-Krebs-Cocktails. Er integriert menschliche Zellen aus Gebärmutter- oder Dickdarmtumoren in seine Chips und erstellt so ein realistischeres Modell einer bestimmten Krebsart. Er kann dann die Fähigkeit verschiedener Kombinationen von Chemotherapeutika testen, die Zellen abzutöten, ohne den Rest des Systems zu beeinträchtigen. Um gute Kombinationstherapien zu finden, müssen viele Tests durchgeführt werden, um die richtige Dosis und die Reihenfolge der Medikamente zu bestimmen, erklärt er. Es ist die Art von Problem, die wir mit dieser Technologie in den Griff bekommen können.

Weder Baxter noch Shuler behaupten, dass das Tier auf einem Chip ein Allheilmittel für den komplexen und äußerst herausfordernden Prozess der Medikamentenentwicklung ist. Zum einen müssen die Chips in Großversuchen noch beweisen, dass sie bei der Vorhersage von Toxizität wirklich besser sind als herkömmliche Zellkulturen. Aber wenn sie sich messen, können die Pillen, die Sie in zehn Jahren einnehmen, sehr gut dank der Opfer einer Silizium-Laborratte ankommen.

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