Nierenkrankheiten: US-Forscher entwickeln neue Organ-on-a-Chip-Technologie

Forscher der Duke University, USA, haben eine neue Membran auf Seidenbasis entwickelt, die in Organ-on-a-Chip-Modellen verwendet werden kann, um die natürliche Umgebung von Zellen und Geweben im menschlichen Körper besser nachzubilden. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „Science Advances“ veröffentlicht.

Bei der Verwendung in einer Organ-on-a-Chip-Plattform (OOC) für Nieren half den US-Forschern die neue Membran beim Wachstum von Gewebe, um die Funktionalität sowohl gesunder als auch kranker Nieren nachzubilden. Indem die Membran die Zellen enger zusammenwachsen lässt, hilft sie, das Wachstum und die Funktion der Schlüsselzellen und -gewebe eines jeden Organs besser zu kontrollieren, so dass sie ein breites Spektrum von Krankheiten genauer modellieren und Therapeutika testen können, heißt es in der Studie.

„Wir wollen die Gewebe in diesen Chips so behandeln, wie ein Pathologe Biopsieproben oder sogar lebendes Gewebe eines Patienten behandeln würde. Aber das war mit den Standardpolymermembranen nicht möglich, weil die zusätzliche Dicke die Zellen daran hinderte, Strukturen zu bilden, die den Geweben im menschlichen Körper ähnlicher sind“, kommentiert Samira Musah. Die Forscher beabsichtigten deshalb, ein Material auf Proteinbasis zu bekommen, das die Struktur dieser natürlichen Membranen nachahmt und dünn genug ist, um es in Scheiben zu schneiden und zu untersuchen. Dieses Ziel führte Musah und George (Xingrui) Mou zu Seidenfibroin, einem von Seidenspinner-Raupen erzeugten Protein, das elektronisch zu einer Membran gesponnen werden kann. „Das Seidenfibroin ermöglichte es uns, die Membrandicke von 50 Mikrometern auf fünf oder weniger zu reduzieren, was uns um eine Größenordnung näher an das heranbringt, was man in einem lebenden Organismus sehen würde“, erklären die Forscher.

Um diese neue Membran zu testen, haben Musah und ihr Team das Material auf ihre Nieren-Chipmodelle aufgebracht. Die OOC-Plattform besteht aus durchsichtigem Kunststoff und hat etwa die Größe einer US-amerikanischen Vierteldollar-Münze. Die Membran soll dem Querschnitt einer menschlichen Niere ähneln, insbesondere der glomerulären Kapillarwand. Nachdem die Membran angebracht war, fügte das Team Derivate menschlicher induzierter pluripotenter Stammzellen in den Chip ein.

Test-Zellen können Moleküle effizient nach Größe filtern

Sie beobachteten, dass diese Zellen in der Lage waren, Signale durch die ultradünne Membran zu senden, was den Zellen half, sich in glomeruläre Zellen, Podozyten und vaskuläre Endothelzellen zu differenzieren. Die Plattform löste auch die Entwicklung endothelialer Fenestrationen im wachsenden Gewebe aus, d. h. Löcher, die den Durchgang von Flüssigkeit zwischen den Zellschichten ermöglichen. Am Ende des Tests hatten sich diese verschiedenen Nierenzelltypen zu einer glomerulären Kapillarwand zusammengefügt und konnten Moleküle effizient nach Größe filtern.

„Die Fähigkeit des neuen mikrofluidischen Chipsystems, in vivo-ähnliche Gewebe-Gewebe-Grenzflächen zu simulieren und die Bildung spezialisierter Zellen, wie z. B. gefenstertes Endothel und reife glomeruläre Podozyten aus Stammzellen, zu induzieren, birgt ein erhebliches Potenzial für ein besseres Verständnis der menschlichen Organentwicklung, des Krankheitsverlaufs und der therapeutischen Entwicklung“, so Musah. Mit der weiteren Optimierung ihres Modells hoffen Musah und ihre Kollegen, mit Hilfe dieser Technologie die Mechanismen von Nierenkrankheiten besser verstehen zu können. „Die Verwendung dieser Plattform zur Entwicklung von Modellen für Nierenkrankheiten könnte uns helfen, neue Biomarker für die Krankheit zu entdecken“, so die Forscher.