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Herz auf einem Chip: Künstliche Organe sollen die Wirkung von Medikamenten vorhersagen. Bild: Anurag Mathur, Healy Lab

Alternative zum Tierversuch: Miniherz schlägt auf Siliziumchip

Forscher haben Herzzellen gezüchtet, die schlagen wie das echte Organ. Das Gewebe soll Medikamententests zuverlässiger machen und Schwächen von Tierversuchen ausgleichen. Zu sehen sind erste Tests in einem Video.



Ein Artikel von

Spiegel Online

«Es kostet durchschnittlich fünf Milliarden US-Dollar, ein Medikament zu entwickeln», erklärt Kevin Healy von der University of California in Berkeley. 60 Prozent dieser Kosten entfielen auf die Erforschung und Entwicklung der Arznei. «Ein gutes Modell von einem menschlichen Organ könnte Zeit und Geld sparen.» 

Am Beispiel des Herzens haben Healy und seine Kollegen nun gezeigt, wie das in Zukunft gehen könnte: Die Wissenschaftler haben menschliche Herzzellen aus Stammzellen herangezüchtet und sie an einen künstlichen Nährstoffkreislauf angeschlossen. Die Zellen schlugen daraufhin fast wie ein richtiges Herz. 

Als Grundmaterial für das künstliche Herzgewebe dienten induzierte pluripotenten Stammzellen (IPS). Das sind normale Körperzellen, etwa aus der Haut, die in den Embryonalzustand zurückversetzt wurden, sodass sie sich wieder in jeden anderen Zelltypen verwandeln können. So lassen sich aus ihnen etwa Gewebe fürs Auge oder eben Muskelzellen fürs Herz züchten. 

55 bis 80 Schläge pro Minute

Healy und Kollegen gaben so hergestellte Herzmuskelzellen in winzige Siliziumkammern. Dort ordneten sich die Zellen in mehreren Schichten dreidimensional an. Die Struktur sei mit der von miteinander verbundenen menschlichen Herzzellen vergleichbar, berichten die Forscher im Fachmagazin «Scientific Reports»

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«Heart on a Chip». Video: Youtube/UC Berkeley Campus Life

Herzmuskelzellen bilden ohne Einfluss von aussen Aktionspotenziale aus. So begann das Gewebe 24 Stunden nach dem Befüllen der Kammer 55 bis 80 mal pro Minute zu schlagen – wie es auch ein ausgewachsenes, gesundes Menschenherz tut. Versorgt werden die Zellen über winzige Kanäle an jeder Seite der Kammer. Sie simulieren Blutgefässe und damit den Austausch von Nährstoffen und Medikamenten zwischen Gewebe und der Blutversorgung im Körper. 

«Unser System ist mehr als eine einfache Zellkultur, in der Gewebe in einem Flüssigkeitsbad heranwächst», erklärt Anurag Mathur, der an der Studie beteiligt war. Stattdessen sei das System dynamisch und spiegle wider, wie Gewebe in unserem Körper mit Nährstoffen und Medikamenten versorgt werden. 

Medikamententest im künstlichen Gewebe

Die Forscher testeten ihr System mithilfe von vier gut erforschten Wirkstoffen für das Herz: Isoprenalin, E-4031, Verapamil und Metoprolol. Der Stoff Isoprenalin etwa wird in der Medizin eingesetzt, um ein langsam schlagendes Herz wieder in Gang zu bringen. Gaben Healy und Kollegen ihrem Zellverband den Stoff, stieg die Schlagfrequenz des Systems innerhalb von einer halben Stunde von 55 auf 124 Schläge pro Minute (siehe Video). 

Seit vielen Jahren arbeiten Forscher an künstlichen Organsystemen, die die Wirkung einzelner Stoffe im Menschen zuverlässig simulieren. Die Gewebe sollen Schwächen von Tierversuchen auffangen. Denn nicht immer findet sich ein Tiermodell, dass die Vorgänge im Menschen eins zu eins wiedergibt. Tierversuche liefern deshalb oft nur einen ersten Eindruck, wie ein Stoff im lebenden Organismus aufgenommen und verarbeitet wird. 

4,6 Milliarden Euro für ein Medikament

Der kritische Punkt bei Herzmedikamenten: Art und Menge von Ionenkanälen, über die Herzmuskelzellen Strom weitergeben, unterscheiden sich bei Mensch und Tier teils deutlich voneinander. «Viele Herzmedikamente beeinflussen die Funktion dieser Kanäle», erklärt Healy. Er hofft, dass die Tests durch das künstliche Herzgewebe zuverlässiger werden. 

Im Gegensatz zu Kosmetika, deren Verträglichkeit seit März 2013 nicht mehr an Tieren getestet werden darf, sind Tierversuche im Zusammenhang mit Arzneistoffen nach wie vor erlaubt. Auf absehbare Zeit wird das aller Voraussicht nach auch so bleiben. Derzeit besteht die Hoffnung vor allem darin, die Zahl der Versuche zu reduzieren. «Wir erwarten, dass unser System breit für Medikamententests und zur Modellierung von Krankheiten eingesetzt werden wird», so Healy und Kollegen. (jme)

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