’Body-On-Chip‘‑Mikrofluidik‑Lösungen zur Nutzung von 3D‑Druck

Der Bedarf an besseren Körperlabor‑Modellen

Finding and testing new drugs is always a complex and expensive process. Historically, it was entirely reliant on testing the new products on animals and humans.

In jüngerer Zeit wurde In‑vitro‑Testing eingesetzt, um zu untersuchen, was ein potenzielles neues Pharmazeutikum mit bestimmten Zelltypen bewirken könnte.

Allerdings ist die Aussagekraft von In‑vitro‑Studien stets unsicher, da der gesamte Körper, ob Tier oder Mensch, sich stark von einer reinen Zellkultur unterscheidet. Ein Anti‑Krebs‑Stoff könnte im Darm absorbiert, von der Leber zu einem neuen Molekül umgewandelt und unerwartete Wirkungen im Gehirn hervorrufen. Keiner dieser Prozesse würde allein durch eine Kultur von Krebszellen korrekt erkannt.

Dies ist weit mehr als ein rein akademisches Problem, da viele potenzielle Medikamente in Phase I klinischer Studien scheitern und Sicherheitsprobleme aufdecken, die Tier‑ und In‑vitro‑Studien nicht früh genug identifiziert haben.

Dies wiederum kostet viel Geld und erhöht die Kosten zukünftiger lebensrettender Medikamente.

Quelle: Research Gate

Glücklicherweise könnte eine neue Technologie zur Rettung kommen, indem sie eine viel genauere Simulation eines vollständigen Körpers in Laboreinstellungen ermöglicht.

Organ‑auf‑einem‑Chip

“Body-on-a-chip”, auch “human-on-a-chip” oder mikro‑physiologische Systeme genannt, versucht, einen ganzen oder Teile eines Körpers mit Zellkulturen nachzubilden.

Dazu werden mehrere miniaturisierte In‑vitro‑Organe („Organ‑on‑a‑Chip“) miteinander verbunden.

Quelle: Harvard 

Organ-on-a-chip ist eine Technologie, die Mikrofluidik nutzt, um der Zellkultur Nährstoffe zuzuführen und so eine realistische Simulation der Diffusion von Nährstoffen und Medikamenten in ein echtes Organ zu erzeugen.

Zum Beispiel kann damit ein Modell eines „airway-on-a-chip“ erstellt werden, das simuliert, wie die menschlichen Atemwege funktionieren, sowie Modelle von menschliche Därme, Nieres oder Knochenmark.

https://player.vimeo.com/video/148415347?h=1791b1a543

Von Organ‑auf‑einem‑Chip zu Body‑on‑a‑Chip

Durch die Kombination mehrerer Organ‑on‑a‑Chip‑Systeme kann man beginnen, Teile eines vollständigen Körpers zu erstellen und die biologischen Prozesse, die ein Medikament bei einem echten Patienten ausführen würde, angemessen zu berücksichtigen.

Dies kann biologische Mechanismen umfassen, die so vielfältig sind wie Immunantwort, Medikamentenabsorption im Darm, in der Lunge oder in den Blutgefäßen, Muskelkontraktion, Lebermetabolismus usw.

Quelle: Harvard

Noch einmal ist dies entscheidend, da die meisten Medikamentenwirkungen (positiv und negativ) nur verstanden werden können, wenn die Reaktionen vieler verschiedener Organe berücksichtigt werden.

Body‑On‑Chip‑Designs

Nicht alle Body‑On‑Chip‑Systeme sind gleich gebaut, und es gibt viele verschiedene Designs für die Organ‑on‑Chip‑Komponenten, die das Gesamtsystem bilden. Jede hat ihre eigenen Vorteile und wird von medizinischen Forschern unterschiedlich eingesetzt.

Eine Möglichkeit, sie zu kategorisieren, besteht darin, den Typ der verwendeten Zellen und Gewebe zu betrachten. Einige Organ‑on‑Chip‑Modelle verwenden nur einen Zelltyp (Monokultur), unterstützt entweder durch künstliche Mikrostrukturen oder Kollagenschichten. Andere haben mehrere Zelltypen, die zusammengefügt sind, entweder in Sphäroiden oder in komplexeren 3D‑Strukturen.

Quelle: Nature.com

Eine weitere Kategorisierungsmethode untersucht, wie Flüssigkeiten in die Organ‑on‑Chip‑Systeme und zwischen ihnen transportiert werden. Sie können dieselbe umgebende Flüssigkeit teilen oder über ein speziell entworfenes Röhrensystem, das Blut‑ oder Lymphsystem nachahmt, verbunden sein. Der Flüssigkeitsfluss kann kontinuierlich oder durch robotergesteuerte Flüssigkeitstransfers gesteuert werden.

Sie können zudem durch eine poröse Membran oder eine Zellschicht (Endothel) vom zirkulierenden Nährstoff‑ und Medikamentenfluid getrennt werden.

Quelle: Nature.com

Wie Sie sich vorstellen können, erzeugt diese Designvielfalt fast unendliche Kombinationsmöglichkeiten. Obwohl sie bereits sehr nützlich sind, stehen die Forscher erst am Anfang der Entwicklung von Organ‑on‑Chip‑ und Body‑On‑Chip‑Systemen und experimentieren noch, um das optimale Gleichgewicht zwischen perfekten Nachbildungen, Zuverlässigkeit und Produktionskosten zu finden.

Organ‑On‑Chip‑Markt

Organ‑on‑Chip ist eine neue Technologie, die erst jetzt genug Reife erreicht, um das Forschungslabor zu verlassen und in den Medikamentenentwicklungsprozess einzutreten. Im Jahr 2023 betrug der Markt 103 Mio. $.

Schätzungen setzen den Markt für Organ‑on‑Chip bis 2026 auf 303 Mio. $ geschätzt, mit einem schnellen Wachstum durch den Ersatz von Tierversuchen, wobei für 2027 ein Wert von 529 Mio. $ prognostiziert. Andere Prognosen sehen bis 2032 auf 1,4 Mrd. $ wachsend, mehr als das 10‑fache in 8 Jahren.

Body‑on‑Chip ist noch neuer und wird stark von technologischen Innovationen profitieren, um seine Leistung und Zuverlässigkeit zu verbessern und die Kosten zu senken.

Body‑On‑Chip‑Anwendungen

Pharmakokinetik

Ein entscheidendes Merkmal von Medikamenten, das ihre Wirksamkeit und potenzielle Toxizität stark beeinflusst, ist die „Pharmakokinetik“. Einfacher ausgedrückt beschreibt sie, wie schnell das Medikament im Körper und in den einzelnen Geweben der Organe diffundiert.

Dies ist schwer auf Papier oder mit Computermodellen vorherzusagen, da es davon abhängt, wie Darm, Blutkreislauf und Organe auf eine bestimmte Chemikalie reagieren.

Dafür werden möglichst vollständige Body‑On‑Chip‑Systeme benötigt, wobei der Eintrittspunkt des Medikaments je nach Verabreichungsweg variiert – oral (Magen und Darm), als Aerosol (Lunge) oder intravenös (Blutkreislauf).

Quelle: Nature.com

Personalisierte Medizin

Ein weiteres großes Versprechen von Body‑On‑Chip ist das Potenzial für personalisierte Medizin. Immer mehr Forscher und Biotech‑Start‑ups entwickeln Medikamente nicht nur für „Menschen“ im Allgemeinen, sondern angepasst an Unterkategorien (Geschlecht, Herkunft, Alter, genetisches Profil usw.) bis hin zum einzelnen Patienten.

Dank ihrer hohen Reproduzierbarkeit, fehlender Gesundheitsrisiken und geringeren Kosten können sie vorteilhaft viele klinische Studien ersetzen, um ein Medikament in den frühen Entwicklungsphasen zu optimieren.

Zum Beispiel könnten sie bei der Identifizierung alternativer Wirkstoffkandidaten helfen, wenn Sicherheitsprobleme auftreten, insbesondere wenn das Problem nur eine bestimmte Teilpopulation betrifft.

Quelle: Nature.com

Zunächst müssen Body‑On‑Chip‑Systeme hauptsächlich ihre Überlegenheit gegenüber bestehenden In‑vitro‑ und Tierstudien nachweisen.

Das ultimative Ziel wird jedoch die genaue Nachbildung von In‑vivo‑klinischen Studien an Patienten sein.

In einer noch ferneren Zukunft könnten wir uns vorstellen, dass Body‑On‑Chip‑Systeme, die die eigenen Zellen des Patienten enthalten, verwendet werden, um im Voraus die Reaktion auf verschiedene Medikamente vorherzusagen und die beste Therapiemethode zu bestimmen.

3D‑Druck zur Unterstützung der Herstellung von Body‑On‑Chips

Echte Organe sind komplexe 3D‑Strukturen mit einer komplizierten Mischung verschiedener Zellen und Gewebe.

Damit das aus Organ‑on‑Chip‑Komponenten bestehende vollständige Body‑On‑Chip realistisch das echte Organ simulieren kann, muss der Herstellungsprozess fast exakte Nachbildungen echter Organgewebe erzeugen. Oder in Zukunft vielleicht sogar voll ausgereifte Organe.

Dies wird nur dank einer aufkommenden Technologie namens Bioprinting möglich sein.

Sie nutzt das Grundprinzip des 3D‑Drucks erneut: Eine Düse wird von einem Computer gesteuert und legt das gewünschte Material Stück für Stück an der richtigen Stelle ab. Statt Plastik oder Metall werden jedoch lebende Zellen abgelagert.

Bioprinting hat sich parallel zur Organ‑ und Body‑On‑Chip‑Technologie entwickelt, wobei zunächst der Schwerpunkt darauf lag, die technologische Schwierigkeit des „Druckens“ mit Zellen zu lösen.

Derzeit stützt sich die Branche noch überwiegend auf künstliche Gerüste, um den gedruckten Zellen Struktur zu verleihen. Dennoch wurden Fortschritte bei der Herstellung von 3D‑gedruckten Organen erzielt, die organischen Organen ähnlicher sind.

Wenn also das aktuelle Organ‑on‑Chip‑System hauptsächlich eine Vorlage der mehrschichtigen Gewebestruktur eines Organs nachbildet, könnte die Kombination mit fortschrittlichen Bioprint‑Methoden noch realistischere Simulationen ermöglichen.

Wenn Sie mehr darüber lesen möchten, haben wir das Bioprinting in unseren Artikeln Organe auf Abruf: Die besten 3D‑Bioprinting‑Aktien und Neue Technik ermöglicht 3D‑Druck von funktionalem Hirngewebe eingehend untersucht.

Bioprinting und Body‑On‑Chip‑Unternehmen

1. BICO Group AB (BICO.ST)

Im Jahr 2021 wurde Cellink in die BICO Group umbenannt, nachdem das Unternehmen 2019 die Laborautomatisierungstools von Cytena und 2020 die hochpräzisen Mikrotropfen‑Messwerkzeuge von Scienion übernommen hatte.

Cellink ist weiterhin der Markenname für den Bioprinting‑Bereich des Unternehmens.

Obwohl es nicht das einzige Unternehmen in diesem Bereich ist, ist Cellink eindeutig ein sehr fortschrittlicher Hersteller von Bioprinting‑Geräten, der sich darauf konzentriert, Forschern aus Biotechnologie und Biomedizin zu liefern.

Langfristig werden Bioprinting‑Unternehmen wahrscheinlich von der Bereitstellung von Werkzeugen für Forscher zu Lieferanten von Bioprinting‑Therapien für Patienten der Pharmaunternehmen übergehen. Dies wird wiederum die Anzahl der im Einsatz befindlichen Bioprinter und, noch wichtiger, das monatliche Verkaufsvolumen an Verbrauchsmaterialien vollständig verändern.

Dies ist derselbe Prozess, der bei anderen Herstellern von Biolab‑Geräten stattfand, einschließlich der Genome‑Sequenziergeräte von PacBio (PACB) und Illumina (ILMN), die inzwischen 80 % ihrer Einnahmen aus wiederkehrenden Verkäufen von Verbrauchsmaterialien erzielen.

2. Organovo

Die proprietäre Technologie von Organovo verwendet 3D‑gedruckte menschliche Gewebe, um zentrale Merkmale echter menschlicher Gewebe nachzuahmen, einschließlich Zusammensetzung, Architektur, Funktion und Krankheit.

Damit wurden neue Moleküle mit therapeutischem Potenzial gefunden. Durch die erste Validierung der potenziellen Moleküle im 3D‑Gewebemodell hofft das Unternehmen, das Risiko von Fehlschlägen in klinischen Studien zu reduzieren, da ein realistischeres In‑vitro‑Zellmodell vor jeglichen Tests am Menschen zur Verfügung steht.

Die Pipeline von Organovo konzentriert sich auf entzündliche Darmerkrankungen (IFD) und Leberfibrose, mit einem Programm in Phase 2/3 der klinischen Prüfung und einem weiteren in Phase 1. Die Ergebnisse der Phase‑2a‑Machbarkeitsstudie werden für das zweite Halbjahr 2025 erwartet.

Quelle: Organovo

Im Jahr 2022 gab es in den USA 2,1 Millionen Fälle und weltweit 13 Millionen Fälle von Colitis ulcerosa, einer Form von IFD, was einem Markt von 6,6 Mrd. $ entspricht. Es wird erwartet, dass er bis 2032 mit einer jährlichen Wachstumsrate von 6 % auf einen Markt von 12 Mrd. $ weiter wächst.

Da Organovo eine realistische Simulation des Darmgewebes mit polarisiertem Epithel und interstitieller Schicht verwendet, ist es wahrscheinlich, dass sie eine gute In‑vitro‑Darstellung davon haben, wie ihr Medikament bei einem Patienten wirken wird.

Quelle: Organovo

Es ist wahrscheinlich, dass mit zunehmender Reife von Body‑On‑Chip die Vorgehensweise von Organovo, 3D‑gedruckte menschliche Gewebe zu verwenden, noch besser geeignet sein wird, frühzeitig potenzielle Probleme in der Medikamentenentwicklung vorherzusagen.

Dies wiederum sollte dem Unternehmen helfen, die Medikamentenentdeckung zu beschleunigen und sein Kapital effizienter zu nutzen als Wettbewerber, die weiterhin auf ältere Methoden setzen.