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TU Berlin

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Forschung

Der Mensch als experimentelles Modell

Vor rund 100 Jahren wurde das Prinzip der Tierversuche in der modernen Medizin etabliert – ein enormer Fortschritt für die Forschung, an dem Berliner Wissenschaftler wie Robert Koch, Paul Ehrlich, Emil von Behring und Otto Warburg einen großen Anteil hatten. Die Hoffnung der Menschheit, Krankheiten wie Krebs oder Infektionen zu besiegen, konnte damit aber nur partiell erfüllt werden. Jetzt haben sich Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus Berlin zum Ziel gesetzt, neue Technologien zu entwickeln, die es in vielen Bereichen ermöglichen können, Tierversuche durch humane Modellsysteme zu ersetzen.

Dazu planen die Technische Universität Berlin und die Charité – Universitätsmedizin Berlin ein gemeinsames Forschungsgebäude, das vom Wissenschaftsrat im April 2018 zur Förderung in Höhe von 34 Millionen Euro empfohlen wurde. Der Neubau soll bis 2023 an der Seestraße in Berlin-Wedding fertiggestellt werden, anteilig finanziert durch den Bund und das Land Berlin im Rahmen des Programms für Forschungsbauten an Hochschulen (Art. 91b GG). Das Haus wird gemeinsam von den beiden Partnerinnen Charité und TU Berlin betrieben.

Prof. Dr. Andreas Thiel, Berlin-Brandenburger Centrum für Regenerative Therapien, Charité
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„Die Medizin steht vor der großen Herausforderung, eine Lösung für die Zeit nach den Antibiotika zu finden. Das Ende dieser Ära ist aufgrund der ständig steigenden Resistenzen schon jetzt absehbar. Daneben steht Krebs immer noch im Mittelpunkt der medizinischen Forschung. Dreh- und Angelpunkt dieser Erkrankungen ist das menschliche Immunsystem. Daher richten immer mehr Forscherinnen und Forscher ihr Augenmerk auf Immuntherapien“, weiß Prof. Dr. Andreas Thiel vom Berlin-Brandenburg Center für Regenerative Therapien (BCRT) an der Charité.

Prof. Dr. Roland Lauster, Institut für Biotechnologie, TU Berlin
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„Das Dilemma ist, dass viele dieser neuen Strategien nur im Menschen getestet werden können, und genau das ist natürlich nicht möglich“, ergänzt Prof. Dr. Roland Lauster, Fachgebietsleiter der Medizinischen Biotechnologie an der TU Berlin. Die beiden Wissenschaftler sind die Initiatoren des geplanten Forschungsbaus „Der simulierte Mensch“ (Si-M).

„Jetzt verfügen wir in der medizinischen Biotechnologie über Methoden, menschliche Zellen und menschliches Gewebe so zu kultivieren und zu testen, dass es den Bedingungen im menschlichen Körper entspricht. Die Zeit ist reif, den simulierten Menschen als experimentelles Modell in den Fokus zu rücken“, so Roland Lauster.

Derzeit konzentrieren sich die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler dabei auf Methoden wie die „Organ-on-a-chip“-Technologien, das 3D-Bioprinting oder auch modernste Technologien der Einzelzellanalyse. Bei der „Organ-on-a-chip“-Technologie werden die Physiologie und Mechanik von Organen, Organsystemen oder Geweben im Mikromaßstab auf Chips von der Größe einer Spielkarte simuliert. Diese Organsysteme können in verschiedenen Kompartimenten auf dem Chip ‚platziert‘ werden. Über integrierte Mikropumpen werden sie von einer Nährlösung versorgt oder auch so miteinander verbunden, dass ein Austausch von Zellen stattfinden kann.

Beim 3D-Bioprinting wiederum werden druckbare Biomaterialien, sogenannte Bioinks, und 3D-Drucker entwickelt, mit denen unter anderem funktionale 3D-Modelle von Organen im Miniformat produziert werden können.

Bei der dritten Methode, die aktuell im Fokus der Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler steht, handelt es sich um die neuesten Verfahren der Einzelzellanalyse. Die Technologie nutzt die Erkenntnis, dass genomische oder proteomische Merkmale einzelner Zellen, zum Beispiel in einer Blutprobe, frühzeitig Aufschluss über bestimmte Erkrankungen geben könnten; diese Erkenntnisse aber in der Analyse der gesamten Probe oft untergehen. Der Trick bei der Einzelzellanalyse ist, innerhalb einer Blutprobe anhand verschiedener Merkmale, die wenigen Zellen zu identifizieren, die verändert sind. Außerdem ermöglichen es moderne Verfahren, einzelne Zellen anhand multipler Merkmale in verschiedenen Gewebeproben genauestens zu identifizieren. So lassen sich krankhaft veränderte Zellen sehr viel früher erkennen als bislang.

Wofür das gut sein kann, zeigt das simple Beispiel eines Sonnenbrands: Was passiert dabei im Körper, welche Entzündungsprozesse finden statt, welche Zellen, welche Reaktionsmechanismen sind beteiligt? Da jeder Sonnenbrand irreversible Schäden hervorruft, kann das am Menschen nicht getestet werden. Aber auch nicht am Tier, unter anderem deshalb nicht, weil die Hautstruktur zu unterschiedlich ist. Moderne Verfahren erlauben es, das Organ Haut inklusive seiner physiologischen Umgebung zu kultivieren, zu testen und zu analysieren.

Genau mit solchen Visionen im Kopf entwickelten die beiden Professoren Roland Lauster und Andreas Thiel die Idee einer gemeinsamen Forschung an der Schnittstelle der Ingenieurwissenschaften der TU Berlin und der Medizin der Charité. Einige der neuen Techniken, wie zum Beispiel die Chip-Technologie oder das 3D-Bioprinting, wurden wesentlich an der TU Berlin entwickelt oder weiterentwickelt. Die Charité wendet diese Technologien in Ansätzen bereits an und nutzt für weitere Untersuchungen unter anderem die neuesten Methoden der Einzelzellanalyse. In dem gemeinsamen Wissenschaftshaus Si-M sollen beide Institutionen nicht nur kooperieren, sondern Seite an Seite unter einem Dach arbeiten und damit völlig neue Möglichkeiten in der Forschung an humanen Modellen eröffnen.

An potentiellen gemeinsamen Projekten mangelt es beiden Institutionen nicht. Fast 50 geplante, hochaktuelle Kooperationsprojekte listet der Antrag für das Si-M auf. „Jetzt kommt es darauf an, mit der Forschung sobald wie möglich zu beginnen – damit die neuen Forschungsansätze auch in neuen diagnostischen und therapeutischen Verfahren münden. Die Translation der Ergebnisse in reale medizinische Anwendungen kann sehr viel schneller erfolgen als früher“, weiß Andreas Thiel.

Ein gutes Beispiel für mögliche Projekte sind alle Therapien, die sogenannte Checkpoint-Blockade-Inhibitoren verwenden. Diese werden in der Immuntherapie bei bestimmten Krebsarten verwendet. Dabei wird dem Patienten ein spezieller Antikörper (ein Protein) gegeben, dessen Wirkung es dem körpereigenen Immunsystem ermöglicht, Metastasen und Tumore regelrecht aufzulösen. Mit solchen Therapien sind bei manchen Krebsarten langfristige Heilungsraten von 30 bis 40 Prozent erzielt worden. Problematisch ist: Diese Antikörper greifen in das gesamte Immunsystem ein, zum Teil mit erheblichen Nebenwirkungen, und sie sind extrem kostspielig.

„Kombiniert man die ‚Organ-on-a-Chip‘-Technologie der Biotechnologie an der TU Berlin mit der medizinischen Expertise der Charité könnten individuelle Krebszellen aus einer Biopsie genommen werden, um daraus unter physiologischen Bedingungen Tumore auf dem Chip zu kultivieren. An solchen Tumoren könnte getestet werden, welche der verschiedenen neuen Therapien am besten wirkt, um die für die Patientinnen und Patienten wirkungsvollste Behandlung zu ermitteln. Damit könnte die Effizienz der neuen Therapien vermutlich drastisch erhöht, die Nebenwirkungen für die Patienten verringert und zusätzlich auch die Kosten reduziert werden“, so Andreas Thiel.

Katharina Jung

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