Erfolgreiche Zusammenarbeit von Wissenschaft, Klinik und Industrie
3D-Rekonstruktionen der Epithelzellschicht des Darms mit C. albicans (Fluoreszenzaufnahme) (Bildquelle: ©Raquel Alonso-Roman, Parastoo Akbarimoghaddam)
Miniaturmodelle menschlicher Organe auf einem Chip – das ist der Ansatz, mit dem das Jenaer Biotechnologie-Unternehmen Dynamic42 Partner in der pharmakologischen und klinischen Forschung unterstützt. Jüngster Erfolg: Mithilfe eines 3D-Darm-Modells auf einem Biochip konnten die Forscher die Dynamik untersuchen, mit der Hefepilze das Darmgewebe durchdringen und zu systemischen Erkrankungen beitragen. Das erlaubten die bisher eingesetzten 2D-Modelle nicht. Die in Zusammenarbeit mit dem Hans-Knöll-Institut (HKI) und dem Universitätsklinikum Jena erzielten Daten wurden im März auf einer internationalen Konferenz in Basel präsentiert und in dem renommierten Fachjournal „Biomaterials“ veröffentlicht.
Etwa jeder zweite Mensch trägt den Pilz Candida albicans in sich. Den allermeisten macht dies nichts aus. Bei Patienten mit geschwächtem Immunsystem kann sich allerdings eine so genannte invasive Candida-Infektion entwickeln. Dabei gelangt der Pilz durch die Darmschleimhaut ins Blut und zu lebenswichtigen Organen, was in der überwiegenden Zahl der Fälle lebensbedrohliche Folgen hat. In Deutschland sind jährlich etwa 40.000 Menschen von einer solchen Infektion betroffen. Ein großes Problem, denn eine Behandlung schlägt oft fehl und die Sterblichkeit ist mit rund 64 % sehr hoch.
Wie aus einem harmlosen „Untermieter“ in unserem Darm eine tödliche Gefahr wird und wie das Infektionsgeschehen genau abläuft, ist noch nicht im Detail verstanden. Nun sind Forscher aus Jena einen entscheidenden Schritt weitergekommen. Durch die Kombination aus mikrobiologischer und bildbasierter Analyse ermöglichen sie eine genaue Bewertung der Schwere der Infektion und eine Einschätzung zur Wirksamkeit von Caspofungin. Das Arzneimittel wird häufig gegen Pilzerkrankungen eingesetzt. Die Forscher konnten sowohl die Anhaftung von Pilzzellen an die Darmwand als auch die Bildung von kleinen Zellhaufen, sogenannte Mikrokolonien, live beobachten.
Eine wichtige Grundlage für dieses Forschungsprojekt war ein miniaturisiertes menschliches Organmodell der 2018 von Mitarbeitern des Universitätsklinikums Jena gegründeten Dynamic42 GmbH. Die Forscher bilden in ihren „Organ-on-Chip“ Modellen Vorgänge nach, wie sie im menschlichen Körper ablaufen. Die Zellen reagieren dabei im Labor „wie im echten Leben“. Deshalb können die Modelle des Jenaer Biotechnologie-Unternehmens dazu beitragen, Tierversuche zu vermeiden. Einsetzbar sind die Organ-Modelle allen Stadien der Wirkstoffentwicklung, von der grundlegenden Erforschung molekularer Mechanismen bis hin zur pharmakologischen Bewertung von Wirkstoffen in der präklinischen Forschung. Im vorliegenden Fall gelingt mit dem Organ-Modell eine genaue Modellierung des Infektionsgeschehens und des Krankheitsverlaufs. Neben dem Darm-Modell bietet Dynamic42 auch Lunge, Leber und Gefäßsysteme an.
„Mit Hilfe des Darm-Chip-Modells können wir das Verhalten des Pilzes im Gewebe deutlich genauer untersuchen, als dies mit bisherigen Modellen möglich war. Entscheidend für den Erfolg unserer Untersuchungen war die enge Zusammenarbeit zwischen den Grundlagenwissenschaftlern des HKI, Klinikern und unserem Forschungsteam“, erläutert Tim Kaden, der seine Doktorarbeit bei Dynamic42 anfertigt und von Dr. Alexander S. Mosig vom Universitätsklinikum Jena betreut wird.
Durch Experimente mit den Organ Modellen kann man sogar simulieren, ob ein Medikament per Injektion über eine Vene oder als Tablette verabreicht wird. Und indem menschliche Immunzellen mit einbezogen werden, kann auch die Entzündungsantwort des Körpers untersucht werden. Dr. Alexander S. Mosig, Leiter des „inspire labs“ am Universitätsklinikum Jena, sieht in diesem Ansatz aussichtsreiche Perspektiven: „Unsere gemeinsame Arbeit bietet nicht nur gänzlich neue Einblicke in den Verlauf einer Pilzinfektion, sondern auch erfolgversprechende Ansätze für deren Behandlung. Die Kombination aus innovativen Modellen und fortschrittlichen Analysetechniken ermöglicht es uns, effektivere Strategien gegen diese lebensbedrohliche Erkrankung zu entwickeln.“
Dynamic42 ist ein Auftragsunternehmen auf dem sich schnell entwickelnden Organ-on-a-Chip-Markt, das 2018 als Ableger des Universitätsklinikums Jena gegründet wurde. Das Start-Up entwickelt mit seiner Organ-on-Chip-Plattform in-vitro-Testsysteme, mit denen die Wirkung potenzieller Arzneimittelwirkstoffe und Chemikalien auf den menschlichen Organismus untersucht werden kann. Das Unternehmen produziert zudem eigene Biotech-Chips, die die Qualität und die Aussagekraft des Organ-on-a-Chip-Verfahrens deutlich verbessern.
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