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19. Dezember 2018

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Blut kann auch in Chips fließen

Blut kann auch in Chips fließen© TU Wien

Die TU Wien entwickelt Bio-Chips mit feinen Blutgefäßen, in denen man Gewebe herstellen und untersuchen kann. Das gemeinsam mit dem Ludwig Boltzmann Institut umgesetzte interdisziplinäre Forschungsprojekt kann Basis für neue medizinische Anwendungen sein und bisherige Tierversuche zumindest weitaus präziser ergänzen.

Menschliche Zellen in der Petrischale zu vermehren, ist heutzutage keine große Herausforderung mehr. Künstliches Gewebe mit feinen Blutgefäßen herzustellen, ist vergleichsweise weitaus schwieriger. Biologisch wichtige Transportprozesse im Gewebe, etwa von Sauerstoff, Zucker und anderen Substanzen, konnten bis jetzt noch nicht zur Gänze geklärt werden.
Die TU-Wien versucht hier nun in Zusammenarbeit mit dem Ludwig Boltzmann Institut für Experimentelle und Klinische Traumatologie neue Wege zu gehen und baut Mini-Gewebe am Biochip nach, so genannte „Organs-on-a-Chip“. Damit sollen komplizierte biologische Prozesse präziser steuer-, kontrollier- und messbar sein und - viel besser als es in Tierversuchen oder direkt am Menschen möglich wäre.

Besser als Tierversuche
„Rund um eine frische Wunde muss neues Gewebe nachwachsen, in dem sich unter anderem auch neue Blutgefäße bilden“, erklärt Barbara Bachmann vom Institut für Angewandte Synthesechemie der TU Wien. „Wir machen uns diese natürlichen, körpereigenen Wundheilungsprozesse zu Nutze, um Blutgefäße im Labor in ganz kleinen Biochips zu züchten“, so Bachmann weiter.
Wissenschaftler waren bei solchen Forschungsansätzen lange Zeit ausschließlich auf Tierversuche angewiesen, aus Forschersicht haben diese aber Nachteile. „Ihre Resultate sind nie hundertprozentig auf den Menschen übertragbar, und so kommt es bei klinischen Studien immer wieder zu überraschenden Nebenwirkungen, die sich im Tiermodell nicht gezeigt hatten“, erläutert Peter Ertl, Leiter der Arbeitsgruppe an der TU-Wien.

Hochpräzise Regulierung von Substanzen
Im Gegensatz sei mit Biochip-Technologie eine hochpräzise Regulierung von Substanzen möglich, die menschlichen Gefäßzellen versorgt werden. Menschliche Zellen können so über mehrere Wochen kultiviert und untersuchen werden. „Wir verwenden neben Endothelzellen, die Gefäßinnenseiten auskleiden, auch Stammzellen, die maßgeblich zur Gefäßstabilisierung beitragen und wie von Zauberhand bilden sich im Biochip innerhalb von Tagen ein Netzwerk winziger Blutgefäße “, sagt Mario Rothbauer vom Forscherteam.
Neben diesem neuentstandenen Geflecht an feinen Blutkapillaren führt direkt die Leitung vorbei, die das Gewebe von außen mit Sauerstoff und Nährstoffen versorgt, die „künstliche Arterie“ des Biochips. Die feinen, natürlich gewachsenen Blutgefäße sind nicht direkt mit dieser künstlichen Leitung verbunden, aber die Grenzen zwischen den beiden Bereichen sind nicht dicht, daher findet ein permanenter Stoffaustausch statt.

Anwendungen in der Medizin
„Das spielt in der Medizin eine wichtige Rolle, einerseits bei der Wundheilung, andererseits aber auch bei Krankheitsbildern wie Krebs“, betont Ertl. Ein schnell wachsender Tumor muss es schaffen, mit ausreichenden Mengen an Nährstoffen versorgt zu werden – darum sorgt er für unnatürlich schnelles Wachstum feiner Blutkapillaren. Wie der Stoffaustausch genau abläuft, kann nun im Chip weitaus besser untersucht werden.
„Vergleichbar mit einem natürlichen Gewebe konnten wir zeigen, dass dort Stoffaustausch und Versorgung im Gewebe tatsächlich vom Abstand zur Zufluss-Leitung abhängen“, ergänzt Sarah Spitz vom Forscherteam. „Und ganz entscheidend ist: Wir konnten nachweisen, dass sich die Stoffzufuhr ins Gewebe fein regulieren lässt indem wir die Flussgeschwindigkeit in den Biochips verändern – so einfach ist das“, unterstreicht Spitz.

Interdisziplinäre Forschung
In diesem aktuellen Forschungsbereich greifen mehrere wissenschaftliche Disziplinen eng ineinander, von Medizin und Chemie über Mikrofluidik als die Wissenschaft vom Strömungsverhalten winziger Stoffmengen, bis hin zu Materialwissenschaft und Fertigungstechnik, um die präzise Herstellung der Chips überhaupt erst zu ermöglichen. Die TU Wien arbeitete dabei mit dem Ludwig Boltzmann Institut für Experimentelle und Klinische Traumatologie zusammen, unterstützt durch das „Interreg“-Förderprogramm der Europäischen Union.
„Nur durch diese interdisziplinäre Vielfalt können wir uns einen Vorsprung herausarbeiten und auch international herzeigbare Forschungsergebnisse erzielen“, sagt Peter Ertl. „Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Bio-Chips ein ausgezeichnetes Modell bieten, um die Sauerstoffzufuhr in neu gebildeten Geweben zu studieren. Das ist für uns erst der Beginn. Die Forschungsfragen, die sich dadurch nun auftun, lassen sich noch gar nicht überblicken.“

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red/cc, Economy Ausgabe Webartikel, 11.11.2018