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.“