Ein Lungenbläschen ist kleiner als ein Stecknadelkopf und doch ist es ein wichtiger Faktor für das Wohlergehen des menschlichen Organismus. Forschende aus London haben nun eine Möglichkeit gefunden, Alveolen zu simulieren und so Krankheitsverläufe von beispielsweise Tuberkulose vorhersagen zu können.
Der „lung-on-chip“ hilft Forschenden dabei, die menschliche Atmung besser zu verstehen, um Krankheitsverläufe von Atemwegserkrankungen, wie Tuberkulose, simulieren zu können.
Foto: Smarterpix/anytka
Grundlage für die Simulation ist dabei das sogenannte „lung-on-chip“-Modell, entwickelt von Forschenden des Francis-Crick-Instituts in London und dem Biotech-Unternehmen AlveoliX.
Mini-Lunge auf dem Chip
Wie es in der Originalpublikation im Science-Advances-Magazin heißt, basiert das Modell auf Stammzellen, auch iPS-Zellen genannt, einer Spenderin oder eines Spenders. Aus diesen wurden verschiedene Lungenzelltypen gezüchtet. Auf dem Chip sind Lungenbläschen (Alveolen) nachgebildet, jene Strukturen, in denen Sauerstoff ins Blut gelangt und Krankheitserreger abgewehrt werden. Die Alveolen sind entscheidend für den Gasaustausch und die Sauerstoffversorgung des Körpers.
Zusätzlich zu den Stammzellen wurde der Chip auch mit Immunzellen der gleichen spendenden Person versehen.
Der Chip ist damit eine Art Mini-Lunge aus dem Labor. Das Besondere: Es ist keine Simulation eines ganzen Organs, sondern eine winzige Nachbildung einer Lungenblase. Alle verwendeten Zellen stammen von nur einem einzigen Menschen. Bisher wurden solche Modelle oft aus Zellmischungen gebaut – ein Teil von Person A, ein Teil aus Zellbanken. So sind die Ergebnisse ungenauer.
Wenn alle Zellen genetisch zusammenpassen, kann man besser untersuchen, wie eine bestimmte Person auf eine Infektion oder ein Medikament reagiert.
Wie der Chip aufgebaut ist
Der Chip besteht aus einer kleinen Kunststoffplatte, die mit einer hauchdünnen Trennschicht versehen ist. Oberhalb der Schicht befinden sich Zellen, die in einer echten Lunge die Luftseite auskleiden – die bereits erwähnten Nachbildungen der Lungenbläschen. Unten sitzen die Zellen, die die Blutgefäßseite nachbilden. Hinzu kommt ein Gerät, welches diese Trennschicht rhythmisch dehnt und entspannt und damit die menschliche Atmung simuliert.
Die Bewegung der Trennschicht ist deshalb relevant, da Lungenzellen sich nur dann realistisch verhalten, wenn sie, wie auch im menschlichen Körper, ständig mechanisch bewegt werden.
Mit Chip Tuberkulose simulieren
Die Forschenden haben das Modell mit einer niedrigen Dosis an Tuberkulose-Bakterien infiziert, um näher an realen Bedingungen zu bleiben. Dabei beobachten sie Folgendes:
- Am Anfang werden zwei Zellarten befallen: Fresszellen und die Lungenzellen auf der Luftseite des Chips
- In den ersten zwei Tagen vermehren sich die Bakterien nicht so explosionsartig wie in vielen einfachen Labor-Zellkulturen.
- Dann bilden sich Klumpen von Immunzellen, in deren Mitte viele Zellen sterben – ein Muster, welches zu Tuberkulose passt.
- Nach ungefähr fünf Tagen bricht die Trennwand der Mini-Alveole zusammen.
Das Ergebnis der Untersuchung: Der Chip zeigt frühe Tuberkulose-Erscheinungen, die man sonst nur schwer erkennt. Zum Schluss bleibt eine sichtbare Gewebeschädigung zurück.
Wichtigkeit der Genetik
Die Forschenden betonten außerdem, dass man die Zellen im Chip gezielt verändern und testen kann, was passiert. Beispielsweise schalteten sie in den Immunzellen das Gen aus, welches dafür verantwortlich ist, beim Abbau von Krankheitserregern zu helfen.
Diese modifizierten Immunzellen sterben leichter, sogar ohne, dass die Bakterien schneller wachsen müssen. Das wirkt sich zudem auch auf das gesamte Gewebe des Chips aus und die Trennbarriere geht schneller kaputt.
Die Forschenden können damit nicht nur den eigentlichen Krankheitsverlauf von Tuberkulose simulieren, sondern auch schauen, wie ein bestimmter Gendefekt den Verlauf verschlimmern kann.
Forschung ohne Tierversuche?
Der Chip basiert auf den Stammzellen einer einzelnen Person. So kann an personalisierten Therapien geforscht werden, wie etwa bei genetischen Besonderheiten, und die Ergebnisse sind deutlich genauer, als es bei einer Zellmischung bisher der Fall ist. Außerdem macht der Chip das Testen von Medikamenten möglich, ohne dass auf Tierversuche zurückgegriffen werden muss.
„Die Chips bestehen vollständig aus genetisch identischen Zellen und könnten aus Stammzellen von Menschen mit bestimmten genetischen Mutationen hergestellt werden. Dies würde es uns ermöglichen, zu verstehen, wie sich Infektionen wie Tuberkulose auf einen Menschen auswirken, und die Wirksamkeit von Behandlungen wie Antibiotika zu testen“, resümiert Max Gutierrez, Gruppenleiter am Francis-Crick-Institut und leitender Autor der Studie.