Organ-on-Chip zur Entwicklung von Diabetes Medikamenten

Ihr benutzt menschliche Zellen auf eurem Chip?

Patrick: So ist es. Wir entwickeln Plattformen für die Untersuchung von medizinischen Wirkstoffen ausserhalb des Körpers unter Bedingungen, die dem lebenden Organ so weit wie möglich ähneln. Unser Ziel ist, physiologisch sinnvolle und reproduzierbare Daten zu erhalten. Im vorliegenden Fall haben wir die zeitabhängige Absonderung von Insulin aus Zellen der Bauchspeicheldrüse untersucht.

Euer Chip hat ein ungewöhnliches Design. Er ist unten offen. Tropfen hängen daran herunter. Warum sollten Forscher Sekretstudien in hängenden Tropfen statt in gut geschlossenen Kammern durchführen? Der Aufbau sieht etwas wackelig aus ….

Patrick: Die hängenden Tropfen haben sich als absolut verlässliches und reproduzierbares Medium erwiesen, um Wirkstoffe an Mikrogewebe zu untersuchen. Wir fügen in jeden Tropfen ein Mikrogewebe ein, welches sich an der Wasser-Luft Oberfläche ganz unten im Tropfen ansiedelt (siehe Fig. 2). Wir durchströmen den Tropfen mit winzigen Flüssigkeitsvolumen, um das Gewebe mit Nährstoffen zu versorgen, aber auch um Wirkstoffe einzubringen. Das Strömungsmuster im hängenden Tropfen ist einzigartig und bietet Vorteile gegenüber geschlossenen Systemen. Das nutzen wir aus, um Absonderungen aus dem Gewebe mit hoher Zeitauflösung zu analysieren.

Woher nehmt ihr eure Gewebeproben?

Patrick:  Das ist eine Frage für meine Kollegin Burcak von InSpero. Wir haben eine exzellente Zusammenarbeit, bei der die ETH Zürich die technische Entwicklung der Organ-on-Chip Plattform übernimmt und InSphero das Mikrogewebe liefert.

Burcak: In der Tat ergänzen sich unsere Kompetenzen sehr gut. Wir stellen das Mikrogewebe der Bauchspeicheldrüse aus menschlichen Organspenden her. Wir erhalten isolierte Inselzellen. Das sind die Mikroorgane in der Bauchspeicheldrüse, die Hormone wie das Insulin absondern, welches unseren Blutzuckerspiegel steuert. Wir zerlegen diese Inselzellen, die in verschiedenen Grössen und Zusammensetzungen kommen, und setzen sie wieder zu standardisierten, dreidimensionalen Mikrogeweben zusammen.  Es ist nämlich so, dass regelmässige Gewebeproben zu besser reproduzierbaren Untersuchungsergebnissen an diesen Proben führen.

Sind die fabrizierten Mikrogewebe überhaupt noch natürlich?

Burcak: Die Struktur unseres Mikrogewebes lehnt sich ganz nah an die Struktur der Inselzellen in der menschlichen Bauchspeicheldrüse an und behält deshalb auch seine natürliche Reaktion auf verschiedene Stimuli.  Wenn wir das Mikrogewebe einer erhöhten Glukosekonzentration aussetzen, so reagieren die Zellen mit einem prompten Insulinausstoss. Einige Minuten später folgt eine weniger intensive, oszillierende Absonderung (siehe Fig. 3). Bei einer Diabeteserkrankung ist diese Reaktion beeinträchtigt. Es gibt verschiedene Ansätze, die gesunde Insulinabsonderung wiederherzustellen. Forscher schauen sich den zeitlichen Verlauf der Insulinabsonderung im Detail an, um die zugrundeliegenden Mechanismen von Diabetes besser zu verstehen und um Wirkstoffe für die Behandlung zu entwickeln. Die Kombination unseres robusten Mikrogewebes kombiniert mit Patricks Testplattform bietet eine nach unserem Wissen bis anhin nie dagewesene zeitliche Auflösung.

Letzte Frage: Wann ist die Organ-on-Chip Plattform kommerziell erhältlich?

Burcak: Das Mikrogewebe ist im Rahmen von Kollaborationsprojekten mit InSphero sofort erhältlich.

Patrick: Aktuell haben wir funktionierende Prototypen, die wir gern in Zusammenarbeit mit akademischen und industriellen Partnern optimieren. Unsere Prototypen ermöglichen sehr sensitive Messungen an einzelnen Inselzellen, was hoffentlich sehr nützlich für die Diabetesforschung ist. Im nächsten Schritt möchten wir den experimentellen Durchsatz erhöhen, weil dies ein Schlüsselkriterium für die Wirkstoffprüfung ist. Darüber hinaus wollen wir die operationelle Komplexität reduzieren, damit das System in den verschiedensten Labors zum Einsatz kommen kann.