‘Körper-auf-einem-Chip’-Mikrofluidiklösungen, um 3D-Druck zu nutzen

Die Notwendigkeit besserer Körperlabor-Modelle

Die Entwicklung und Erprobung neuer Medikamente ist immer ein komplexer und teurer Prozess. Historisch gesehen basierte sie ausschließlich auf Tests an Tieren und Menschen.

In jüngster Zeit wird die In-vitro-Testung verwendet, um zu sehen, was ein potenzielles neues Pharmazeutikum mit bestimmten Zelltypen machen kann.

Allerdings ist die Relevanz von In-vitro-Studien immer ungewiss, da der gesamte Körper, sei es Tier oder Mensch, sehr unterschiedlich ist von einer einfachen Zellkultur. Ein Anti-Krebs-Chemikalie könnte vom Darm aufgenommen, von der Leber in ein neues Molekül umgewandelt und unerwartete Auswirkungen auf das Gehirn haben. Keiner dieser Prozesse wird mit nur einer Krebszellkultur korrekt identifiziert.

Dies ist weit entfernt von einem rein akademischen Problem, da viele potenzielle Medikamente in Phase I der klinischen Tests scheitern und Sicherheitsprobleme aufdecken, die Tier- und In-vitro-Studien nicht früh genug identifizieren konnten.

Dies wiederum kostet viel Geld und erhöht die Kosten für zukünftige lebensrettende Medikamente.

Quelle: Research Gate

Glücklicherweise kommt eine neue Technologie zu Hilfe, die eine viel genauere Simulation eines vollständigen Körpers in Laborbedingungen ermöglicht.

Organ-auf-einem-Chip

“Körper-auf-einem-Chip”, auch “Mensch-auf-einem-Chip” oder mikrophysiologische Systeme genannt, zielen darauf ab, einen vollständigen oder teilweisen Körper mit Zellkulturen nachzubilden.

Dazu werden mehrere Miniatur-In-vitro-Organe (“Organ-auf-einem-Chip”) miteinander verbunden.

Quelle: Harvard

Organ-auf-einem-Chip ist eine Technologie, die Mikrofluidik verwendet, um Nährstoffe zur Zellkultur zuzuführen und so eine realistische Simulation der Diffusion von Nährstoffen und Medikamenten in ein reales Organ zu erstellen.

Beispielsweise kann dies ein Modell eines “Atemwegs-auf-einem-Chip” erstellen, das die Funktion der menschlichen Atemwege simuliert, sowie Modelle von menschlichen Därmen, Nieren oder Knochenmark.

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

Von Organ-auf-einem-Chip zu Körper-auf-einem-Chip

Durch die Kombination mehrerer Organ-auf-einem-Chip-Systeme kann man beginnen, Teile eines vollständigen Körpers zu erstellen und die biologischen Prozesse, die ein Medikament in einem realen Patienten ausführen würde, richtig zu berücksichtigen.

Dies kann biologische Mechanismen wie Immunantwort, Medikamentenaufnahme im Darm, Lungen oder Blutgefäßen, Muskelkontraktion, Leberstoffwechsel usw. umfassen.

Quelle: Harvard

Dies ist erneut entscheidend, da die meisten Medikamenteneffekte (positive und negative) nur verstanden werden können, wenn man die Reaktionen vieler verschiedener Organe berücksichtigt.

Körper-auf-einem-Chip-Designs

Nicht alle Körper-auf-einem-Chip sind gleich gemacht, und es gibt viele verschiedene Designs für das Organ-auf-einem-Chip, das zum Aufbau des gesamten Systems verwendet wird. Jedes hat seine eigenen Vorteile und wird von medizinischen Forschern auf unterschiedliche Weise verwendet.

Eine Möglichkeit, sie zu kategorisieren, ist nach dem Typ der Zellen und Gewebe, die verwendet werden. Einige Organ-auf-einem-Chip verwenden nur einen Zelltyp (Monokultur), der entweder von künstlichen Mikrostrukturen oder Kollagen-Schichten unterstützt wird. Andere haben mehrere Zelltypen, die zusammen montiert sind, entweder in Sphäroiden oder in komplexeren 3D-Strukturen.

Quelle: Nature.com

Eine weitere Kategorisierungsmethode untersucht, wie Flüssigkeiten in und zwischen den Organ-auf-einem-Chip übertragen werden. Sie können die gleiche Umgebungslösung teilen oder durch ein benutzerdefiniertes Design von Röhren verbunden sein, die das Blut- oder Lymphsystem nachahmen. Der Flüssigkeitsfluss kann kontinuierlich oder durch robotergesteuerte Flüssigkeitsübertragungen gesteuert werden.

Sie können auch von der zirkulierenden Flüssigkeit von Nährstoffen und Medikamenten durch eine poröse Membran oder eine Zellschicht (Endothel) getrennt sein.

Quelle: Nature.com

Wie man sich vorstellen kann, erzeugt diese Vielfalt an Designs fast endlose mögliche Kombinationen. Während sie bereits sehr nützlich sind, stehen Forscher erst am Anfang des Designs von Organ-auf-einem-Chip und Körper-auf-einem-Chip und experimentieren noch, um das optimale Gleichgewicht zwischen perfekten Replikaten, Zuverlässigkeit und Produktionskosten zu finden.

Organ-auf-einem-Chip-Markt

Organ-auf-einem-Chip ist eine neue Technologie, die gerade erst ausreichend gereift ist, um aus dem Forschungslabor in den Arzneimittelentwicklungsprozess zu gelangen. Im Jahr 2023 war es ein Markt im Wert von 103 Mio. USD.

Schätzungen gehen davon aus, dass der Markt für Organ-auf-einem-Chip bis 2026 303 Mio. USD betragen wird, mit einem schnellen Wachstum durch die Ersetzung von Tierversuchen, das eine Schätzung für 2027 von 529 Mio. USD ergibt. Andere Prognosen sehen es bis 2032 auf 1,4 Mrd. USD anwachsen, was mehr als 10-mal in 8 Jahren entspricht.

Körper-auf-einem-Chip ist noch neuer und wird stark von technologischen Innovationen profitieren, um seine Leistung und Zuverlässigkeit zu verbessern und die Kosten zu senken.

Körper-auf-einem-Chip-Anwendungen

Pharmakokinetik

Eine wichtige Eigenschaft von Medikamenten, die ihre Wirksamkeit und potenzielle Toxizität stark beeinflusst, ist die “Pharmakokinetik”. In einfacheren Worten handelt es sich um die Geschwindigkeit, mit der das Medikament im Körper und in den Geweben der einzelnen Organe diffundiert.

Dies ist schwer vorherzusagen, sei es auf Papier oder mit Computermodellen, da es von der Reaktion von Darm, Blutkreislauf und Organen auf eine bestimmte chemische Substanz abhängt.

Dafür sind so vollständige wie möglich Körper-auf-einem-Chip erforderlich, wobei der Eintrittspunkt des Medikaments je nach Verabreichungsart (oral, Aerosole, intravenös) variiert.

Quelle: Nature.com

Personalisierte Medizin

Ein weiteres großes Versprechen von Körper-auf-einem-Chip ist das Potenzial für personalisierte Medizin. Immer mehr Forscher und Biotech-Startups suchen nach Möglichkeiten, Medikamente nicht nur für “Menschen” im Allgemeinen, sondern für spezifische Subkategorien (Geschlecht, Abstammung, Alter, genetisches Profil usw.) bis hin zum individuellen Patienten zu entwickeln.

Dank ihrer hohen Reproduzierbarkeit, ohne Gesundheitsrisiken und geringeren Kosten können sie viele klinische Tests in der Feinabstimmung eines Medikaments in den frühen Entwicklungsstadien ersetzen.

Beispielsweise könnten sie bei der Identifizierung alternativer Medikamentenkandidaten helfen, wenn Sicherheitsprobleme auftreten, insbesondere wenn das Problem nur eine spezifische Subpopulation betrifft.

Quelle: Nature.com

Zunächst werden Körper-auf-einem-Chip hauptsächlich ihre Überlegenheit gegenüber bestehenden In-vitro- und Tierstudien demonstrieren müssen.

Das ultimative Ziel wird jedoch die genaue Nachbildung von In-vivo-Patientenstudien sein.

In einer noch fernen Zukunft könnten wir uns vorstellen, dass Körper-auf-einem-Chip, die die Zellen des Patienten enthalten, verwendet werden, um im Voraus die Reaktion auf verschiedene Medikamente vorherzusagen und die beste therapeutische Methode zu bestimmen.

3D-Druck, um Körper-auf-einem-Chip herzustellen

Echte Organe sind komplexe 3D-Strukturen mit einer komplexen Mischung aus verschiedenen Zellen und Geweben.

Damit die Organ-auf-einem-Chip, die das vollständige Körper-auf-einem-Chip bilden, realistisch die echten Organe simulieren können, muss der Herstellungsprozess eine fast exakte Replik der realen Organgewebe erstellen. Oder vielleicht sogar in der Zukunft vollständig gewachsene Organe.

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

Sie verwendet das gleiche Prinzip wie 3D-Drucken: Eine Düse wird von einem Computer gesteuert und setzt das gewünschte Material an der richtigen Stelle ab, Schritt für Schritt. Aber anstelle von Kunststoff oder Metall setzt sie lebende Zellen ab.

Bioprinting hat sich parallel zur Organ- und Körper-auf-einem-Chip-Technologie entwickelt, mit anfänglich mehr Fokus auf die Lösung der technologischen Schwierigkeit beim “Drucken” mit Zellen.

Derzeit verlässt sich die Branche noch hauptsächlich auf künstliche Gerüste, um den gedruckten Zellen Struktur zu verleihen. Es wurden jedoch Fortschritte bei der Erstellung von 3D-gedruckten Organen erzielt, die denen von organischen Organen ähnlicher sind.

Wenn also das aktuelle Organ-auf-einem-Chip hauptsächlich ein Template der mehrschichtigen Strukturen nachbildet, die das Gewebe eines Organs bilden, könnte die Kombination mit fortschrittlichen Bioprinting-Methoden noch realistischere Simulationen ermöglichen.

Wenn Sie mehr erfahren möchten, haben wir Bioprinting in unseren Artikeln “Organe auf Abruf: Die besten 3D-Bioprinting-Aktien” und “Neue Technik ermöglicht das 3D-Drucken von funktionalem Hirngewebe” ausführlich behandelt.

Bioprinting- und Körper-auf-einem-Chip-Unternehmen

1. BICO Group AB (BICO.ST)

Im Jahr 2021 wurde Cellink in BICO Group umbenannt, nachdem es 2019 Cytena-Lab-Automatisierungstools und 2020 Scienion-Mikrotropfen-Messgeräte erworben hatte.

Cellink ist immer noch der Markenname für den Bioprinting-Teil des Geschäfts.

Während Cellink nicht allein auf dem Feld ist, ist es clearly ein sehr fortschrittlicher Bioprinting-Gerätehersteller mit Fokus auf die Belieferung von Forschern in Biotechnologie und Biomedizin.

Langfristig werden Bioprinting-Unternehmen wahrscheinlich von der Lieferung von Werkzeugen für Forscher zu Lieferanten von bioprinting-basierten Therapien für Patienten evolvieren. Dies wird wiederum die Anzahl der verwendeten Bioprinter und, wichtiger noch, den Verkauf von Verbrauchsmaterialien every Monat vollständig ändern.

Dies ist der gleiche Prozess, der bei anderen biolab-Einrichtungsherstellern wie PacBio (PACB) und Illumina (ILMN) auftrat, die schließlich 80 % ihrer Umsätze aus dem Verkauf von Verbrauchsmaterialien erzielten.

2. Organovo

Organovos proprietäre Technologie verwendet 3D-gedruckte menschliche Gewebe, um wichtige Aspekte von echten menschlichen Geweben nachzubilden, einschließlich Zusammensetzung, Architektur, Funktion und Krankheit.

Dies wurde verwendet, um neue Moleküle mit therapeutischem Potenzial zu finden. Indem das Unternehmen die potenziellen Moleküle zunächst in dem 3D-Gewebe-Modell validiert, hofft es, das Risiko von Fehlschlägen in den klinischen Tests aufgrund eines realistischeren In-vitro-Zellmodells vor jedem Test am Menschen zu reduzieren.

Organovos Pipeline konzentriert sich auf entzündliche Darmerkrankungen (IFD) und Leberfibrose, mit einem Programm in Phase 2/3 der klinischen Studie und einem in Phase 1. Die Ergebnisse der Phase-2a-POC-Studie werden im 2. Halbjahr 2025 erwartet.

Quelle: Organovo

Es gab 2,1 Millionen Fälle in den USA im Jahr 2022 und 13 Millionen Fälle weltweit von Colitis ulcerosa, einer Form von IFD, was einen Markt im Wert von 6,6 Mrd. USD darstellt. Es wird auch erwartet, dass es bis 2032 mit einem jährlichen Wachstum von 6 % auf 12 Mrd. USD anwächst.

Da Organovo eine realistische Simulation des intestinalen Gewebes verwendet, mit polarisiertem Epithel und interstitiellem Gewebe, ist es wahrscheinlich, dass sie eine gute Darstellung der Wirkung ihres Medikaments für einen Patienten haben.

Quelle: Organovo

Es ist wahrscheinlich, dass, wenn Körper-auf-einem-Chip zu einer ausgereifteren Technologie wird, der Ansatz von Organovo, 3D-gedruckte menschliche Gewebe zu verwenden, immer wahrscheinlicher wird, um frühzeitig potenzielle Probleme in der Medikamentenentwicklung vorherzusagen.

Dies wiederum sollte dazu beitragen, die Medikamentenentdeckung zu beschleunigen und den Einsatz von Kapital effizienter als bei Konkurrenten zu nutzen, die noch auf ältere Methoden angewiesen sind.