Miniaturlabor ermöglicht Einblick in den Metastasenverlauf


16. April 2024 08:00

Forschungsprojekte, Kooperationen

Das Fraunhofer IWS entwickelt seit mehreren Jahren mikrophysiologische Systeme in Pillendosengröße.  Sie können jetzt bis zu 10 Gewebeschnitte auf einem Chip kultivieren.

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Das Fraunhofer IWS entwickelt seit mehreren Jahren mikrophysiologische Systeme in Pillendosengröße. Sie können jetzt bis zu 10 Gewebeschnitte auf einem Chip kultivieren.
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Forscher des Fraunhofer ITEM, des Fraunhofer IWS und der Universität Regensburg untersuchen gemeinsam die Metastasierung von Tumorzellen in mikrophysiologischen Systemen.

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Forscher des Fraunhofer ITEM, des Fraunhofer IWS und der Universität Regensburg untersuchen gemeinsam die Metastasierung von Tumorzellen in mikrophysiologischen Systemen.
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Das Fraunhofer IWS entwickelt gemeinsam mit Partnern mikrophysiologische Systeme, mit denen Tumorgewebeschnitte kultiviert werden können.

(Dresden, 16.04.2024) Jährlich erkranken in Deutschland etwa 500.000 Menschen an Krebs. Obwohl es für viele Krebsarten wirksame Behandlungsmöglichkeiten gibt, bleiben viele Fragen zur Pathogenese der Erkrankung unbeantwortet. Warum entstehen Tumore? Welche Faktoren fördern das Wachstum von Krebszellen? Die bisher verwendeten Tiermodelle sind nur eine begrenzte Darstellung der tatsächlichen Prozesse im menschlichen Körper. Das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS in Dresden hat in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer-Institut für Toxikologie und Experimentelle Medizin ITEM in Hannover und der Universität Regensburg ein spezielles Mikrosystem entwickelt. Derzeit untersuchen sie Gewebeschnitte von Tumoren unter realistischen Bedingungen.

Das Fraunhofer IWS entwickelt seit mehreren Jahren erfolgreich mikrophysiologische Systeme in Pillendosengröße. Dadurch ist es möglich, mithilfe von Zellkulturen Organfunktionen und Krankheitsprozesse künstlich darzustellen, Krankheiten in vitro, also außerhalb des Körpers, zu untersuchen und Medikamente zu testen. „Wir tragen mehrere Lagen Kunststofffolie auf“, erklärt Stefan Behrens, Entwicklungsingenieur am Fraunhofer IWS. Zuerst strukturieren wir es mit einem Laser. Es entstehen Kanäle und Kammern, Pumpen und Ventile. Dadurch werden spezifische Prozesse im menschlichen Körper modelliert. Flüssigkeiten wie Blut zirkulieren in mikrophysiologischen Systemen und versorgen die Zellen mit Sauerstoff und Nährstoffen. Eine neue Herausforderung im interdisziplinären Projekt bestand darin, Tumormetastasen in mikrophysiologischen Systemen zu untersuchen.
Mit diesem Wunsch wandte sich Professor Christoph Klein, Professor für Experimentelle Medizin und Therapeutik an der Universität Regensburg und Leiter der Abteilung Personalisierte Tumortherapie am Fraunhofer ITEM, an das Fraunhofer IWS. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft hat dem Regensburger Team 2020 in Zusammenarbeit mit der Universität Erlangen-Nürnberg einen Sonderforschungsbereich verliehen. Ziel ist es herauszufinden, wie genau Metastasen Organe besiedeln.

Auf dem Chip interagieren Tumor und Immunsystem
„Um dies untersuchen zu können, war es wichtig, mehrere Tumorgewebeschnitte in ein mikrophysiologisches System zu integrieren“, sagt Florian Schmieder, Gruppenleiter am Fraunhofer IWS. Dies ist eine Weltneuheit. Bis zu 10 Gewebeschnitte können nun parallel auf einem einzigen Chip kultiviert werden. Das Team des Fraunhofer IWS hat außerdem eine Öffnung geschaffen, durch die jederzeit Proben zum Testen entnommen werden können. „Außerdem können wichtige Parameter wie CO2-Gehalt, pH-Wert und Sauerstoffkonzentration kontinuierlich gemessen werden“, so Schmieder weiter. »Die für diese Messung verwendeten Sensoren werden direkt im mikrophysiologischen System gemessen und können für weitere Untersuchungen wiederverwendet werden.
Experten des Fraunhofer ITEM vermittelten Wissen zum Gewebeschneiden. Dazu nutzten sie feinste Lungengewebeschnitte, erklärt Professor Armin Braun, Leiter der präklinischen Pharmakologie und Toxikologie am Fraunhofer ITEM. „Wenn wir Patienten mit Lungentumoren operieren, entfernen wir nicht nur den Tumor selbst, sondern auch gesundes Gewebe. Erstellen Sie dünne Scheiben von etwa 1 cm. Diese sind immer noch gut genährt. Auf den Chip aufgetragen, behielten die Gewebeschnitte ihre Vitalität und Funktion im mikrophysiologischen System über lange Zeiträume bei. „So können wir die Interaktion zwischen dem menschlichen Immunsystem und Tumoren untersuchen“, fügte Brown hinzu. Im Durchschnitt sind alle relevanten Immunzellen bereits vorhanden. „Damit sind wir sehr nah am realen System, viel näher als es mit Tiermodellen möglich ist.“

Das System kann auch zur Untersuchung anderer Krankheiten eingesetzt werden
Wie genau entsteht Krebs und wie breitet er sich im Körper aus? Der entscheidende Punkt ist, dass sich der Stoffwechsel innerhalb eines Tumors von dem normalen Gewebes unterscheidet. „Für Ärzte ist es wichtig, untersuchen zu können, welche Zustände in einem Organ wahrscheinlich zu einer Metastasierung führen“, erklärt Florian Schmieder. Wichtig hierfür sind hohe Sauerstoffkonzentrationen und pH-Werte. Forscher des Fraunhofer IWS hoffen, diese Umweltbedingungen künftig noch besser in Mikrosystemen zu gestalten. „Bisher können wir beispielsweise den Sauerstoffgehalt des gesamten Systems verändern“, erklärt er. Die aktuelle Herausforderung besteht darin, unterschiedliche Sauerstoffkonzentrationen auf dem Chip zu ermöglichen, um die Reaktion von Tumorzellen und Metastasen beobachten zu können.
Idealerweise wäre es möglich, mehrere Gewebearten eines Patienten zu kombinieren. „Solche Proben sind tatsächlich sehr selten“, erklärt Schmieder. Es ist jedoch möglich, Blutproben und Gewebe desselben Patienten gleichzeitig im System zu haben. In Kombination mit einer Vielzahl von Sensoren können Mehrwerte geschaffen werden, die mit anderen Methoden bisher nicht erreichbar waren. Damit kann diese Technik auch als sinnvolle Alternative zu bisherigen Tierversuchen eingesetzt werden. Ganz ohne Tiermodelle kann die Forschung derzeit leider nicht durchgeführt werden.
Gleichzeitig arbeitet das 15-köpfige Team des Fraunhofer IWS auch an Projekten, um den Einsatz von Gewebeschnitten bei anderen Erkrankungen zu testen. Ein Beispiel ist Fibrose. Dadurch verändert sich die Reaktion des Immunsystems auf das Gewebe, wodurch es krankhaft steif wird und teilweise seine Funktion verliert. Diese Prozesse schränken die Funktion von Geweben und Organen ein. „An diesem Problem arbeiten wir mit dem Fraunhofer-internen Projekt FIBROPATHS“, sagt Schmieder. Um einzelne Gewebe über längere Zeiträume kultivieren zu können, muss geklärt werden, welche spezifischen Systeme jedes einzelne Gewebe im Minilabor benötigt.

Neue Behandlungsmöglichkeiten für Krebspatienten
Die bisherigen Ergebnisse bei der Untersuchung des Tumorwachstums und der Metastasenbildung mithilfe mikrophysiologischer Systeme sind für Professor Christoph Klein positiv. „Wenn wir Krankheiten erforschen wollen, ist das eine neue und sehr interessante Möglichkeit, die sich uns bietet“, sagt der Mediziner. „Ein umfassendes Verständnis von Metastasen ist der Schlüssel für neue Behandlungen, die die spätere Bildung von Metastasen bei Krebspatienten verhindern.“
Florian Schmieder sieht großes Potenzial für die Zukunft dieser Technologie. „Unsere Systeme werden immer modularer. In Zukunft können wir verschiedene Komponenten neu anordnen, um unterschiedliche wissenschaftliche Fragestellungen zu beantworten.“


Wissenschaftlicher Kontakt:
Leiter der Gruppe Mikrobiosystemtechnik
BA Florian Schmieder |. Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS |
Winterbergstraße 28 |. 01277 Dresden |


Weitere Informationen:
https://www.iws.fraunhofer.de/de/newsundmedien/presseinformationen/2024/presseinformation_2024-04_Tumor Growth-on-Chip.html?utm_campaign=PM-2024-04-Tumor Growth-on-Chip-DE-IDW Presse Veröffentlichung auf der Website des Fraunhofer IWS



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