Organs-on-Chip: Wie weit ist die Technik zur Erforschung von CKD?

Organs-on-Chip: Wie weit ist die Technik zur Erforschung von CKD?Chronische Nierenerkrankungen (CKD, chronic kidney disease) beeinträchtigen die Lebensqualität vieler Patient*innen.¹ Doch obwohl die Entstehungsmechanismen dieser CDK immer besser verstanden werden, steht für viele Betroffene keine passende Therapie zur Verfügung.² Deshalb sind die Patient*innen mit fortschreitender Krankheit oft auf eine Nierentransplantation angewiesen.Eine Möglichkeit, CKD weiter zu erforschen und neue Behandlungsoptionen zu entwickeln, könnte die sogenannte Organs-on-Chip (OOC)-Technologie bieten.² Was sind Organs-on-Chip?Bei OOC handelt es sich um kleine mikrofluidische Systeme. In ihnen können verschiedene Zelltypen unter kontrollierten dynamischen Bedingungen miteinander kultiviert werden.³ OOC imitieren die Mikroumgebung von Geweben und Organen des menschlichen Körpers, sodass komplexe biologische Prozesse, wie die Bewegung von Flüssigkeiten, physiologisch simuliert werden können.³Hierzu sind die Chips aus dreidimensionalen Kammern und Kanälen im Mikrometermaßstab aufgebaut.³Abhängig davon welches Gewebe oder Organ simuliert werden soll, lassen sich OOC vielseitig konfigurieren oder sogar patientenspezifisch anwenden.^2,4 Sie alle weisen jedoch bestimmte Merkmale auf.² Zu diesen zählen neben einer architektonischen Anordnung der Zellen beispielsweise auch die gleichzeitige Kultivierung verschiedener Zelltypen, die Integration mechanischer Signale sowie die Möglichkeit die Zellen zu stimulieren oder mit Medikamenten zu behandeln.²Auf der OOC-Technologie beruhen auch diverse Studien zu Nierenerkrankungen.² So soll mithilfe der Kidneys-on-Chip (KOC) die Nierenfunktion möglichst genau nachgeahmt werden.² Hierzu werden verschiedene mechanische (Strömung) und mikroökologische (extrazellulärer Matrix) Faktoren in die Systeme integriert, um die Geno- und Phänotypen der Zellen zu erhalten.² Durch Modifikation der Systeme lassen sich pathophysiologische Veränderungen und die Entstehung von Nierenkrankheiten erforschen.²Ein KOC für alle Krankheiten funktioniert nichtEine Herausforderung für die Entwicklung robuster, valider und standardisierter Krankheitsmodelle der Niere ist allerdings die Komplexität chronischer Nierenerkrankungen. So würde ein einheitliches KOC-Modell nicht allen Krankheitsbildern gerecht werden. Aus diesem Grund verfolgen verschiedene Studien einen anderen Ansatz.² Sie bilden jeweils nur bestimmte Regionen der Niere nach, wie beispielsweise die glomeruläre Filtrationsbarriere, und konzentrieren sich nicht auf komplette Funktionseinheiten.^2,5 Eine Weiterentwicklung dieses Vorgehens ist die Kombination von Chips unterschiedlicher Nierenregionen oder sogar unterschiedlicher Organe. Hierzu wurde bereits die Entwicklung eines "Body-on-a-Chip" mit Niere, Darm, Leber, Herz, Lunge, Haut, Blut-Hirn-Schranke und Gehirn vorgeschlagen, um die Entstehung multifaktorieller Krankheiten besser abbilden zu können.^5,6 Bis solche Systeme ausgereift sind ist allerdings noch viel Forschungsarbeit nötig, auch wenn OOC bereits heute viele Möglichkeiten bieten und sich die Technologie in den letzten Jahren stark weiterentwickelt hat. Sie möchten weitere Informationen zu diesem Thema? In einem Video des Wyss Institute erfahren Sie mehr zu den Vorteilen der OOC-Technologie und zum Aufbau der Chips. Hier geht es zum Video .⁷ Referenzen:

Devuyst O et al. Lancet. (2014) 383:1844–1859.

Valverde MG et al. Pediatric Nephrology. (2022) 37:2985–2996.

NMI an der Universität Tübingen. Organ-on-Chip. Abgerufen am 18.01.2024 unter https://www.nmi.de/krankheitsmodelle-und-mechanismen/forschung-entwicklung/organ-on-chip

Leung CM et al. Nat Rev Methods Primers (2022) 2:33.

Petrosyan A et al. Nat Commun. (2019) 10:3656.

Novak R et al. Nat Biomed Eng. (2020) 4:407–420.

Wyss Institute. Introduction to Organs-on-a-Chip. Abgerufen am 18.01.2024 unter: https://wyss.harvard.edu/media-post/introduction-to-organs-on-a-chip/