Mit Mini-Organen dem Doping auf der Spur

Das Organ-On-A-Chip-Verfahren könnte die Anti-Doping-Forschung nachhaltig verändern, davon sind Forschende der Deutschen Sporthochschule Köln überzeugt.

Darüber berichtet auch die aktuelle Ausgabe des FORSCHUNG AKTUELL Forschungsnewsletters. Der Träger des Chips soll kreditkartengroß sein und auf ihm werden 3D-Mini-Organe eingesetzt und kultiviert, um eine dem menschlichen Organismus möglichst ähnliche Umgebung zu simulieren. Die Ausscheidungen dieser Organe könnten dann dazu dienen neuartige leistungssteigernde Substanzen schneller nachweisen zu können. In einer Pilotstudie haben die Forschenden das Verfahren nun im Bereich der Anti-Doping-Forschung mit anabolen Steroiden getestet und laut eigener Aussage “vielversprechenden Ergebnisse” erhalten.

Wenn Doping-Wirkstoffe bekannt sind, können Wissenschaftler auch herausfinden wie sie im Körper verstoffwechselt werden und zu welchen Abbauprodukten sie werden. Erst, wenn man der Stoff dann so genau untersucht ist, kann er standardmäßig in Urin- oder in Blutproben nachgewiesen werden. Schwierig wird es, wenn die Athleten den Analyselaboren noch unbekannte Wirkstoffe zu sich genommen haben. Erst wenn konkrete Stoffwechselmarker bekannt sind, können die Substanzen mit den hochsensiblen Massenspektrometern im Analyselabor erkannt werden.

„Es geht hier vor allen Dingen um Metabolismus-Forschung. Laufend beginnen klinische Studien zu neuen Substanzen und Substanzklassen. Bereits in frühen Phasen dieser klinischen Studien finden sich zum Beispiel im Netz entsprechende Schwarzmarktprodukte dopingrelevanter Verbindungen. Zu diesen neuen Substanzen haben wir im Labor aber erstmal ganz wenige Informationen“, erläutert Dr. Christian Görgens, Chemiker am Institut für Biochemie und Projektmitarbeiter der Pilotstudie.

Ob eine Mini-Leber, -Niere, -Haut, -Bauchspeicheldrüse oder sogar ein Mini-Herz: In die Chips können verschiedenste Zellkulturen eingesetzt werden. Sogar die Kombination mehrerer Mini-Organe auf einem Chip ist möglich. Wenn man Mini-Leber und Mini-Niere kombiniert – zwei zentrale Organe für den Abbau von Medikamenten – dann sondert die Mini-Niere sogar eine urinähnliche Flüssigkeit ab, die im Dopingkontrolllabor analysiert werden könnte. Ganz so weit ist die Technologie im Bereich der Dopinganalytik allerdings noch nicht. Bisher kommt die Organ-On-A-Chip-Technologie im Pharmabereich oder in der Forschung zur Lebensmittelsicherheit zum Einsatz. Ihr Prinzip scheint jedoch vielversprechend für die Dopinganalytik.

Ob sich das Verfahren auch für den komplexen Nachweis geringster Mengen an potentiell leistungssteigernden Substanzen eignet, haben Wissenschaftler*innen des Instituts für Biochemie an der Deutschen Sporthochschule in einem interdisziplinären Pilotprojekt zusammen mit dem Berliner Chip-Hersteller „TissUse“ untersucht. Sollte es sich eignen, müssten die Mini-Organe ähnliche Stoffwechselprodukte produzieren, wie der menschliche Körper.

Ziel des Pilotprojektes war es also, die Ausscheidungen der Mini-Organe auf dem Chip mit denen eines Menschen zu vergleichen. Dafür wurden die Mini-Organe – erstmals überhaupt – mit anabolen Steroiden „gedopt“. Weil es zum Zeitpunkt der Pilotstudie noch keine eigene Zellkultur und kein Organ-On-A-Chip-System an der Sporthochschule gab, bekamen die Kölner  Unterstützung aus Berlin. Mitarbeitende der Firma „TissUse“ züchteten für das Experiment sogenannte Leber-Sphäroide.

„Zwei Faktoren machen das System besonders: einmal die 3D-Organstruktur, die aus parenchymalen und nonparenchymalen Zellen hergestellt wird. Das ist einmal eine Leberzelllinie, die die Funktion des Organs simuliert, und hepatische Sternzellen, die die Regeneration und Stabilisierung des Organoids unterstützen. Besonders ist auch, dass durch die Kreisläufe, in denen immer gepumpt wird und ein bestimmter Sauerstoffaustausch herrscht, eine eher physiologische Situation entsteht, die dem Blutkreislauf im Körper ähnelt“, erläutert Projektmitarbeiterin und Biologin Dr. Nana Naumann. „Das bedeutet auch, dass ein gewisser Stress für die Zellen entsteht, wenn sie diesem Druck ausgesetzt sind. Das ist physiologischer als eine statische Kultur, die sich in einer Schicht auf die Wand oder auf den Boden des Gefäßes setzt“, ergänzt Görgens.

Am dritten, fünften und siebten Tag des Experiments wurden die Organoide einer Nährstofflösung ausgesetzt, der eine geringe Menge des dopingrelevanten anabolen Steroids Stanozolol oder des anabolen Steroids Oral-Turinabol beigemischt war. Beides sind Medikamente, die unter anderem Muskeln schneller wachsen lassen und deshalb im Sport verboten sind. „Stanozolol ist die am häufigsten missbrauchte Substanz im Sport. Wir haben sehr viele Studien mit Stanozolol durchgeführt, uns liegen viele positive Athleten-Urine und viele Daten zu Stoffwechselwegen vor. Deshalb haben wir uns in der Pilotstudie für diese Substanz entschieden“, so Görgens.

Eine, drei und sechs Stunden nach der Applikation der Dopingsubstanz und zu mehreren Zeitpunkten im Verlauf des Experiments wurden die Ausscheidungen der Organoide aus dem Organ-On-A-Chip-System entnommen und zur weiteren Analyse nach Köln geschickt. Im Kölner Labor erfolgte die Analyse auf dopingrelevante Marker. Görgens und sein Team untersuchten die Proben dann mit ihren Massenspektrometern, die auch standardmäßig in der Dopinganalytik eingesetzt werden. Das überraschende Ergebnis: Das Chip-Experiment zeigte bei beiden Substanzen ein qualitativ ähnliches metabolisches Profil wie im Urin von Menschen. In den Ausscheidungen der Mini-Organe konnten die beiden anabolen Steroide mit den identischen Stoffwechselmarkern, auch Metaboliten genannt, nachgewiesen werden.

Für die Doping-Analytik könnten die Ergebnisse der Pilotstudie den Forschern zufolge einen Fortschritt bedeuten. Bestätigt sich auch in weiteren Studien, dass die Ausscheidungen der Mini-Organe denen von Probanden gleichen, könnte das Verfahren zudem bisherige In vitro-Untersuchungen, Tierversuche und langfristig sogar Studien am Menschen ersetzen. (Marilena Werth/sh)