27.05.2014, 12:25 Uhr | 0 |

Testsystem für Lungenkrebs Künstliche Lunge im Miniformat soll Tierversuche ersetzen

Ein lebendes Stück Lunge von der Größe eines Würfelzuckers kann für Krebspatienten zur großen Hoffnung werden: An der künstlichen Lunge kann die Wirksamkeit von Krebsmedikamenten getestet werden, für Patienten heißt das: Die bekommen künftig das Krebsmedikament, das optimal wirk. Gleichzeitig ist die kleine Lunge besser als jeder Tierversuch.

Eine künstliche Lunge zur Erforschung von Krebsmedikamenten
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Die künstliche Lunge im Miniformat ist nur so groß wie ein Stück Würfelzucker. Das Testsystem basiert auf entnommenen Tumorzellen und stellt die Situation im menschlichen Körper nach. Die Wirksamkeit der Medikamente oder Resistenzen können die Forscher daran testen.

Foto: Fraunhofer IGB

Wenn die Diagnose Lungenkrebs kommt, steht in den allermeisten Fällen eine Chemotherapie auf dem Behandlungsplan. Wie erfolgreich die eingesetzten Medikamente allerdings sein werden, lässt sich nur schwer voraussagen, denn sie wirken nicht bei jedem Patienten gleich. Zum anderen sind die Systeme, mit denen Pharmakonzerne die Therapeutika testen, nicht optimal. Ein neues, dreidimensionales Lungenmodell soll künftig genauere Resultate erzielen und Tierversuche langfristig verringern oder gar ersetzen.

Testsystem in der künstlichen Lunge basiert auf menschlichen Tumorzellen

„Zwar sind Tiere die besten Modelle, die wir zurzeit haben. Dennoch versagen beim Menschen 75 Prozent der Medikamente, die im Tierversuch positiv getestet wurden“, erklärt Professorin Heike Walles. Sie leitet die Würzburger Projektgruppe „Regenerative Technologien für die Onkologie“ des Fraunhofer-Instituts für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB.

Dort haben die Wissenschaftler ein neuartiges dreidimensionales Testsystem entwickelt, über das die Situation im menschlichen Körper sehr gut nachgestellt werden kann und mit dem sie Tierversuche künftig ersetzen wollen. Im Prinzip bauen die Forscher menschliche Lungen im Miniformat nach, die mit Maßen von 1 x 1x 0,5 Zentimetern nicht größer sind als ein Zuckerstückchen.

Gleichzeitig simulieren die Kollegen am Lehrstuhl für Bioinformatik der Universität Würzburg die Therapie für die jeweiligen Patientengruppen auf dem Computer. Denn tragen die Patienten genetische Veränderungen in sich, sprechen Therapien oft nicht wie gewünscht an. Durch den Vergleich der theoretischen Modelle mit den biologischen können beide Forschergruppen ihre Voraussagen optimieren.

Das biologische Testsystem basiert auf menschlichen Lungentumorzellen, die auf einem Gerüst aus Bindegewebe wachsen. Ein Bioreaktor lässt die künstliche Lunge atmen und pumpt Nährmedium durch die Blutgefäße – ganz so, wie der Körper das natürliche Organ mit Blut versorgt. Mit Hilfe des Reaktors lässt sich sogar einstellen, wie schnell und wie tief die Atmung ist.

Mit dem Modell wollen Forscher die Bildung von Metastasen verstehen

Das Lungengewebe konnten die Wissenschaftler bereits erfolgreich aufbauen. „Therapien, die in der Klinik zu Resistenzen führen, tun dies auch in unserem Modell“, sagt Walles. Ziel der Forscher ist es jetzt, mit ihrer künstlichen Lunge neue Therapeutika auszutesten. Zeigen sich dort Resistenzen, können die Ärzte von Anfang an auf eine Kombi-Therapie setzen und diese Probleme umgehen. Langfristig ist es sogar denkbar, für jeden Patienten ein eigenes Lungenmodell zu erstellen. Dann ließe sich genau vorhersagen, welche Therapien bei eben diesem Patienten ansprechen und welche nicht. Die menschlichen Lungenzellen, die dafür nötig sind, erhält man über die Biopsie, mit der die Ärzte den Tumor untersuchen.

Neue Medikamente zu testen, ist allerdings nicht die einzige Anwendung des Lungenmodells. Es soll den Forschern auch dabei helfen, die Bildung von Metastasen zu verstehen. Denn sie sind es, die den Krebs oft tödlich enden lassen.

„Bisher hat man die Metastasierung kaum verstanden, denn sie lässt sich weder im Tier noch mit Hilfe von zweidimensionalen Modellen untersuchen, bei denen die Zellen nur flach auf einer Oberfläche wachsen“, erklärt Forscherin Walles. „Unser dreidimensionales Lungengewebe ermöglicht erstmals eine solche Analyse – und erlaubt es auf lange Sicht vielleicht sogar, Patienten vor Metastasen zu schützen.“

Ziel: Individuelle künstliche Lunge für jeden Krebspatienten

Denn um durch den Körper zu wandern, ändern die Tumorzellen ihre Oberflächenmarker, also die Moleküle, die sie in einer bestimmten Region festhalten. Die Krebszellen verteilen sich dann über das Blutsystem im Organismus. Dort können sie sich erneut festsetzen, indem sie wieder ihre ursprünglichen Oberflächenmarker ausbilden. Wie diese Verwandlung im Einzelnen vor sich geht, wollen die Wissenschaftler mit ihrem künstlichen Blutkreislauf im Lungenmodell erforschen – und so vielleicht eines Tages Metastasen mit Medikamenten entgegenwirken, noch bevor sie entstehen.

Die Fraunhofer-Forscher präsentieren ihr neues Lungenmodell vom 23. bis 26. Juni in San Diego, USA. Dort findet in diesem Jahr die internationale Biotechnologieausstellung und -tagung BIO statt. 

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Von Gudrun von Schoenebeck
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