Um Bio-Membranen besser zu verstehen, greifen Forscher zu neuen Methoden: An der TU Wien wurde jetzt mit 3D-Druck-Verfahren eine künstliche Plazentabarriere auf einem Chip hergestellt.
Die Plazenta hat eine wichtige Aufgabe: Sie muss dafür sorgen, dass zwischen der Mutter und ihrem ungeborenen Kind bestimmte Substanzen ausgetauscht und gleichzeitig anderen Substanzen der Durchgang versperrt wird. Längst hat man noch nicht vollständig verstanden, wovon die Durchlässigkeit der Plazenta abhängt – schließlich ist es kaum möglich, ihre Funktion am Menschen direkt zu untersuchen.
An der TU Wien wurde daher nun ein künstliches Plazenta-Modell hergestellt, das dem natürlichen Vorbild sehr nahekommt. Mit speziell entwickelten, lasergesteuerten 3D-Druck-Verfahren können aus Hydrogelen hochpräzise Formen herstellen und dann mit Plazenta-Zellen besiedelt werden. Damit wird es möglich, wichtige Forschungsfragen zu klären, etwa über den Glucose-Austausch zwischen Mutter und Kind.
"Der Transport von Substanzen durch biologische Membranen spielt in verschiedenen Bereichen der Medizin eine wichtige Rolle", sagt Prof. Aleksandr Ovsianikov vom Institut für Werkstoffwissenschaften und Werkstofftechnologie der TU Wien. "Etwa in der Blut-Hirn-Schranke, bei der Nahrungsaufnahme in Magen und Darm oder eben in der Plazenta." So gibt es zahlreiche Studien darüber, dass sich Krankheiten der Mutter wie etwa Diabetes auf das ungeborene Kind auswirken können. Auch Bluthochdruck kann den Stofftransport zum Fötus beeinflussen.
An der TU Wien arbeitet Prof. Ovsianikov und sein Team daran, Organstrukturen auf kompakten Chips nachzubilden, um so wichtige Aspekte ihrer Funktion unter kontrollierten Bedingungen untersuchen zu können. "Unser Chip besteht aus zwei Bereichen – eine repräsentiert den Fötus, der andere die Mutter", erklärt Diplomandin Denise Mandt. "Dazwischen stellen wir in einem speziellen 3D-Druck-Verfahren eine Trennwand her – die künstliche Plazentamembran."
An solchen hochauflösenden 3D-Druck-Verfahren arbeiten die Wissenschaftler seit Jahren mit großem Erfolg. An der TU Wien werden Materialien, die mithilfe von Laserstrahlen zum Aushärten gebracht werden können, verwendet. So kann Punkt für Punkt mit einer Auflösung im Mikrometer-Bereich die gewünschten 3D-Strukturen hergestellt werden. "In unserem Fall handelt es sich dabei um ein Hydrogel mit guter Bioverträglichkeit", erklärt Ovsianikov. "Nach dem Vorbild der natürlichen Plazenta stellen wir eine Oberfläche mit kleinen, gewundenen Zotten her. Dort können sich dann Plazentazellen ansiedeln und eine Oberfläche erzeugen, die der natürlichen Plazenta sehr ähnlich ist."
"Die Organ-on-a-Chip Technologie ist ein revolutionärer Ansatz in der Biomedizin, der in den letzten Jahren großes Interesse in der klinischen Diagnostik, Biotechnologie und Pharmazie erzeugt hat", sagt Prof. Peter Ertl, Leiter der Cell-Chip-Forschungsgruppe, die maßgeblich an dem Projekt beteiligt war. "Die Erzeugung von humanen Miniorganen am Chip soll dazu führen, dass patientenspezifische Therapieansätze entwickelt werden können, und stellt außerdem auch eine wichtige Methode für den Ersatz von Tierversuchen dar."
Am Chip können biologische Parameter wie Druck, Temperatur, Geometrie und Nährstoffversorgung der Miniorgane sowie die Zugabe von Medikamenten genau kontrolliert werden. So wird es möglich, Krankheitsverläufe und Heilungsraten genau zu beobachten. In ersten Tests konnte bereits gezeigt werden, dass sich die künstliche Plazenta am Chip tatsächlich ähnlich wie eine natürliche Plazenta verhält: Kleine Moleküle werden durchgelassen, große werden aufgehalten. Nun soll das Modell verwendet werden, um gezielt wichtige Aspekte des Nährstofftransports von der Mutter zum Fötus zu untersuchen.
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