Organsystem in hängenden Tropfen

Die Tropfen werden fortlaufend mit Nährlösung versorgt, die über eine Pumpe in die Kanäle eingespeist wird. Ein Kragen am Kanalrand verhindert, dass Flüssigkeit aus dem Kanal austritt und die Plattform überschwemmt. Die Zufuhr der Nährlösung erfolgt so, dass die Tropfen gleich gross bleiben. Würde zu viel Lösung eingepumpt, würden sie herunterfallen. Dies hat es Frey erlaubt, das System ohne luftdichten Deckel zu konzipieren, was Fabrikation und Betrieb der neuen Plattform stark vereinfacht. Die Zellkulturen müssen aber wie bisher in einem Brutkasten unter kontrolliert hoher Luftfeuchtigkeit aufbewahrt werden.

Body-on-a-chip-Vision verwirklicht

Über Zuleitungen können die Forscher dem System auch zu testende Wirkstoffe in bestimmten Konzentrationen zuführen. Durch die Anordnung dieser Zuleitungen, der Kanäle und der Tropfen können von Reihe zu Reihe unterschiedliche Wirkstoffkonzentrationen erzeugt werden, so dass, über die gesamte Plattform betrachtet, ein Konzentrationsgradient entsteht.

In diesem System, das eben in Nature Communications vorgestellt wurde, können die D-BSSE-Forschenden in einem Arbeitsgang mehrere Sphäroide verschiedener Zelltypen in Reihenfolgen anordnen, wie sie im Körper vorkommen, und verschiedenen Konzentrationen einer Substanz aussetzen. Dadurch können die Wissenschaftler ein Multiorgansystem auf einer Platte realitätsnah nachstellen. «Damit haben wir ein Body-on-a-chip-System auf relativ einfache Weise verwirklicht», freut sich Frey, der zwei Jahre lang an dieser Testplattform gearbeitet hat.

Leberzellen mit Krebszellen verknüpft

Erste Tests an Leberzell- und Krebszellsphäroiden verliefen vielversprechend. Frey und seine Mitarbeiter bestückten in einer Reihe drei Tropfen mit Leberzellen, den nachfolgenden vierten mit Krebszellen. Nachdem sich die Zellen in Sphäroiden organisiert hatten, leitete er ein Zytostatikum, also eine das Zellwachstum hemmende Substanz, in jeweils verschiedenen Konzentrationen pro Reihe in die Testanordnung ein.

Der verwendete Wirkstoff tötet Krebszellen nur dann ab, wenn ihn Leberzellen vorher aktivieren. Diesen Effekt konnten die Forscher rekonstruieren. Gleichzeitig beobachteten sie, ab welcher Konzentration das Gift auf die Krebszellen wirkt und ab wann auch die Leberzellen darunter zu leiden beginnen. Fehlten im System die Leberzellen, hatte das Medikament in den entsprechenden Konzentrationen wie erwartet keine Wirkung auf die Krebszellen.

System zum Patent angemeldet

Frey und seine Kollegen haben ihre neue Testplattform zum Patent angemeldet. Diese ist relativ einfach und günstig herzustellen. Dazu braucht es eine Negativform aus Silizium, die im Reinraum hergestellt wird. Danach können mit einem Polymer billige Abgüsse davon gemacht werden. Für grosse Stückzahlen kann auch ein Spritzgussverfahren verwendet werden, in welchem eine einzelne Plattform nur wenige Rappen kostet. Die Herstellung der Mikrogewebe für die Plattform entwickelten die Basler Forscher in Zusammenarbeit mit der Firma InSphero, einem Spin-off des D-BSSE.

Interessenten dafür dürften unter anderem Pharmafirmen sein, die neue Wirkstoffe auf Wirksamkeit und unerwünschte Nebenwirkungen überprüfen möchten. Das neue System lässt dies auf schnelle, flexible und unkomplizierte Weise zu. «Für Pharmafirmen wird unser System deshalb interessant sein, weil sie frühzeitig realistische Anhaltspunkte erhalten, ob eine neue Substanz potenziell schädlich ist», betont Frey. So könnte zum Beispiel in einer frühen Phase der Entwicklung getestet werden, wie und ob sich ein neues Herzmedikament auf die Leber auswirkt.

In einem weiteren Schritt möchten die Basler Forscher ihre Hanging-Drop-Plattform mit Sensoren ausstatten, die Stoffwechselprodukte in den Tropfen messen können. Dadurch sollte es möglich sein, laufend Daten auszulesen. Die Sensoren messen beispielsweise Laktat oder Glukose. «Die Chip-Fabrikation dürfte durch die Sensorintegration zwar etwas aufwendiger werden, dafür liefert uns eine solche Plattform deutlich mehr Information», sagt Andreas Hierlemann.