„Heart-on-a-Chip“ für sicherere Krebstherapien

Chemotherapie kann für Herzzellen toxisch sein. Um die Herzen von Krebspatienten zu schützen, haben Forschende des Cedars-Sinai Medical Center in Los Angeles, USA, ein dreidimensionales „Heart-on-a-Chip“ entwickelt, um die Arzneimittelsicherheit zu bewerten.

In einer in der Fachzeitschrift „Lab on a Chip” veröffentlichten Studie zeigen sie, dass das aus Stammzellen hergestellte Herz auf einem Chip die Auswirkungen von Medikamenten auf menschliche Herzzellen genau vorhersagt.

Die Forscher arbeiteten mit induzierten pluripotenten Stammzellen – Blutzellen, die in Stammzellen umprogrammiert wurden und in jeden Zelltyp im Körper umgewandelt werden können. Sie nutzten die Stammzellen, um zwei Arten von Herzzellen zu erzeugen, aber anstatt sie alle zusammen in einer unstrukturierten Zellkulturschale zu platzieren, wie es bei Tests auf kardiale Toxizität üblich ist, platzierten die Forscher die Zellen auf speziellen Chips.

Die 3D-Chips verfügen über zwei Kanäle, die einander kreuzen, sodass jeder Zelltyp getrennt bleibt, sie aber interagieren können (siehe Video). Die Chips ermöglichen zudem Bewegung und die Zufuhr von Flüssigkeiten.

„Wir haben Herzmuskelzellen und Blutgefäßzellen gezüchtet“, sagte Dr. Arun Sharma, Wissenschaftler am Board of Governors Regenerative Medicine Institute, Smidt Heart Institute, Cedars-Sinai Cancer und der Abteilung für Biomedizinische Wissenschaften am Cedars-Sinai and leitender Autor der Studie. „Der Chip ermöglicht es uns, die Zellen hin und her zu dehnen, um einen Herzschlag nachzuahmen, und Flüssigkeit einzuleiten, um den Blutfluss durch das Herz nachzuahmen. Es ist, als würden die Zellen ein Training absolvieren, das die Muskelzellen stärkt und es den Gefäßzellen ermöglicht, kleine blutgefäßähnliche Strukturen zu bilden.“

Diese „gereiften“ Zellen böten eine bessere Testplattform für Arzneimitteltoxizitätsstudien als Zellen, die diesen Reifungsprozess nicht durchlaufen haben, da sie der Funktionsweise erwachsener Herzzellen ähnlicher sind, erläuterte Sharma.

Um die Leistungsfähigkeit des Heart-on-a-Chip als Plattform für Arzneimitteltests zu demonstrieren, setzte das Forschungsteam, darunter Hauptautorin und Postdoktorandin Dr. Maedeh Mozneb, den Herzchip einem VEGFR/PDGFR-Tyrosinkinasehemmer, von dem bekannt ist, dass er schädliche Auswirkungen auf Herzmuskel- und Blutgefäßzellen hat. Auf den Herzchips wurden Schäden an beiden Zelltypen beobachtet.

Wenn zukünftige Studien weiterhin gute Ergebnisse zeigen, könnte die Heart-on-a-Chip-Technologie die Kosten für die Arzneimittelentwicklung deutlich senken und die Verfügbarkeit neuer Therapien beschleunigen.

Eine weitere künftige Möglichkeit für diese Herzchips ist die Entwicklung patientenspezifischer Chips zur Personalisierung der Krebsbehandlung.

„Wenn ein Krebspatient eine Behandlung erhält, die negative Auswirkungen auf sein Herz haben könnte, können wir aus einer kleinen Blutprobe induzierte pluripotente Stammzellen erzeugen“, sagte Sharma. „Wir können diese Stammzellen in Herzmuskel- und Blutgefäßzellen umwandeln und sie auf einen Chip übertragen, der als personalisierter Avatar dafür dient, wie das Herz dieser Person auf die Behandlung reagieren könnte. Dies ist eine der aufregendsten Anwendungen dieser Technologie und bringt die personalisierte Medizin am Cedars-Sinai wirklich voran.“

Auch eine Möglichkeit: Diese Chips über ein einzelnes Organ hinaus zu verwenden.

„Wir hoffen, unsere verschiedenen Organmodelle irgendwann zusammenzubringen“, sagte Dr. Clive Svendsen, Geschäftsführer des Board of Governors Regenerative Medicine Institute und Mitautor der Studie. „Mein Labor hat diese Technologie verfeinert, um uns bei der Entwicklung von Modellen neurologischer Erkrankungen zu helfen, und andere Labore in unserem Institut haben an Chips für die Leber und das Darmmikrobiom gearbeitet. Die Zusammenführung all dieser Chips zu einem „Patient-on-a-Chip“-Modell ist Teil unserer langfristigen Vision für Präzisionsmedizin.“

Finanzierung: Dieses Projekt wurde unterstützt vom American Heart Association Career Development Award 856987, den National Institutes of Health-Zuschussnummern T32 HL116273, 1UG3TR003148 und 5UG3NS105703, dem Allen Distinguished Investigator Award Nummer 12879 dem Cedars-Sinai Board of Governors Regenerative Medicine Institute und der ALS Association.