Innovative Zellkultur-Technik ausgezeichnet

03.11.2016 | News

Von:  Fabio Bergamin

Forschende der ETH Zürich entwickelten eine neue Zellkultur-Technik, dank der künftig möglicherweise auf gewisse Tierversuche verzichtet werden kann. Die Wissenschaftler wurden hierfür mit einem internationalen Preis zum humaneren Umgang mit Labortieren ausgezeichnet.

Mikrotiterplatte
Von den ETH-Wissenschaftlern entwickelte spezielle Mikrotiterplatte (neue Generation) für die Anwendung der neuen Technik (Nahaufnahme). (Bild: ETH Zürich / Olivier Frey)

Ein Team unter der Leitung von Wissenschaftlern des Departements Biosysteme der ETH Zürich in Basel entwickelte eine Zellkultur-Technologieplattform, um die Wechselwirkung von Wirkstoffen mit verschiedenen dreidimensionalen Körpergewebeproben zu untersuchen. Während herkömmliche Zellkulturexperimente auf einem flachen «Zell-Rasen» in einer Petrischale stattfinden, nutzt die neue Technik einen Chip, in dem kleine kugelförmige Zell-Aggregate mit einem Durchmesser von knapp einem halben Millimeter verwendet werden.

«Dreidimensionales Mikrogewebe ist in seinem Verhalten näher bei Organen im lebendigen Körper als traditionelle Zellkulturen und liefert daher aussagekräftigere Ergebnisse», sagt Olivier Frey, der als Oberassistent im Labor von ETH-Professor Andreas Hierlemann massgeblich für die Entwicklung der neuen Methode verantwortlich war. Eine weitere Besonderheit der neuen Technik: Indem die Wissenschaftler Kügelchen unterschiedlicher Gewebe in einem Chip kombinieren, können sie in der Zellkultur auf einfache Weise das Zusammenspiel mehrerer Gewebearten testen.

Komplexere Experimente möglich

Mit der Technik können Wissenschaftler insbesondere die Wirksamkeit von Medikamenten testen, etwa ob ein potenzieller Krebswirkstoff das Wachstum von Tumorzellen hemmt. Indem die Forschenden Tumor- und Lebergewebe auf einem Chip kombinieren, können sie untersuchen – wie  in einer Machbarkeitsstudie gezeigt –, ob der Leberstoffwechsel die Aktivität des Wirkstoffs abschwächt oder erhöht, und ob der Wirkstoff für die Leber toxisch ist.

Auch weitere Gewebekombinationen sind denkbar: Als nächstes planen die Forschenden ein System mit Mikrogewebe der an der Zuckerkrankheit beteiligten Organe, der Bauchspeicheldrüse und der Leber. Neben dem Testen von Wirkstoffkandidaten wäre ein Einsatz der entwickelten Technik in der personalisierten Medizin denkbar.

Auszeichnung für Reduktion von Tierversuchen

Die neue Technik eignet sich dazu, komplexe biomedizinische Fragestellungen umfassender zu beantworten als es mit herkömmlichen Zellkulturexperimenten möglich ist. Darunter sind auch viele Forschungsfragen, für deren Bearbeitung es bisher Tierversuche bedurfte. Die Technik könnte daher dazu beitragen, die Zahl der Tierversuche in der biomedizinischen Forschung zu reduzieren.

Ein internationales Expertengremium zeichnete deshalb das Konsortium um die ETH-Wissenschaftler am 2. November mit dem «Global 3Rs Award/Europe» aus, einem internationalen Preis für Forschungsanstrengungen zur Reduktion von Tierversuchen (siehe Kasten). Es ist dies bereits der zweite derartige Preis für die Forschungsgruppe. 2014 erhielt sie für ein anderes System eine Auszeichnung des britischen National Centre for the Replacement, Refinement & Reduction of Animals in Research.

Der Körper auf einem Chip

Die Entwicklung der neuen Technik erfolgte im Rahmen des EU-Forschungsprojekts «Body on a chip», welches vom ETH-Spin-off Insphero koordiniert wurde und an dem weitere europäische Projektpartner beteiligt waren. «Body on a chip» (Körper auf einem Chip) ist eine Anspielung auf den Begriff «Lab on a chip», der miniaturisierte Laboranalyse-Plattformen bezeichnet.

Chip
Schema des ursprünglichen Chips, mit dem Wissenschaftler parallel zwei Experimente durchführen konnten: Links und rechts die Reservoirs für das Nährstoffmedium, dazwischen vier Vertiefungen für die  Gewebekügelchen. (Grafik: ETH Zürich / Olivier Frey)
Mikrotiterplatten
Von den ETH-Forschern entwickelte spezielle Mikrotiterplatten (neue Generation) auf einem Halter mit Kippmotor (hinten). Auf einer Platte können die Forschenden parallel zehn Experimente durchführen. (Bild: ETH Zürich / Olivier Frey)

Wesentliche Merkmale des Zellkultur-Chips der ETH-Wissenschaftler sind vier (beziehungsweise in der neusten Chipgeneration sechs) Vertiefungen, in welche die Forschenden die Gewebekügelchen einbringen, sowie zwei Reservoirs für das Nährstoffmedium. Ein Mikrokanal verbindet die Vertiefungen und Reservoirs miteinander. Über Wippbewegungen werden die Gewebekügelchen kontinuierlich leicht bewegt und mit Nährstoffen und den zu testenden Substanzen versorgt.

Die neue Technik kommt derzeit in einem Projekt der Kommission für Technologie und Innovation (KTI) des Bundes in Zusammenarbeit mit Insphero und der Pharmafirma Roche zum Einsatz. «Verläuft diese Testphase in der Industrie erfolgreich, kann man an eine Vermarktung denken», sagt ETH-Professor Hierlemann. 

Olivier Frey bei der Verleihung des Global 3Rs Awards
Olivier Frey (3. von links) bei der Verleihung des Global 3Rs Awards. (Bild: AAALAC International)

Die «3R»-Prinzipien

Bestrebungen zu einem humaneren und ethischeren Umgang mit Labortieren werden oft unter dem Begriff «3R» zusammengefasst. Die drei R stehen für die englischen Begriffe «replacement» (Tierversuche durch Experimente ersetzen, die ohne den Einsatz von Versuchstieren auskommen), «reduction» (Reduktion der Anzahl verwendeter Versuchstiere) und «refinement» (Reduktion der Belastung für die Tiere während eines Versuchs sowie bessere Versuchsplanung). Mehrere Organisationen auf nationaler und internationaler Ebene setzen sich für die Förderung dieser Prinzipien ein, darunter die Association for Assessment and Accreditation of Laboratory Animal Care International (AAALAC International), welche gemeinsam mit dem International Consortium for Innovation and Quality (IQ) in Pharmaceutical Development die Global 3Rs Awards verleiht.

Literaturhinweis

Kim JY, Fluri DA, Marchan R, Boonen K, Mohanty S, Singh P, Hammad S, Landuyt B, Hengstler JG, Kelm JM, Hierlemann A, Frey O: 3D spherical microtissues and microfluidic technology for multi-tissue experiments and analysis. Journal of Biotechnology 2015. 205: 24-35, doi: 10.1016/j.jbiotec.2015.01.003

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