Forschung 17.06.2019, 07:00 Uhr

Chip simuliert die Blut-Hirn-Schranke im Labor

Zahlreiche Gehirnerkrankungen stehen mit Störungen der Blut-Hirn-Schranke, einer biologischen Barriere, in Verbindung. Wissenschaftler entwickeln jetzt ein Modellsystem auf Basis von Organchips.

Gehirn

Forschern ist es gelungen, die Blut-Hirn-Schranke auf Biochips zu simulieren.

Foto: sgursozlu / Panthermedia.net

Die Blut-Hirn-Schranke verhindert, dass Giftstoffe oder Erreger in unser Hirngewebe gelangen und Schäden verursachen: eine biologisch sinnvolle Barriere. Neurologische Erkrankungen wie Multiple Sklerose, Epilepsie, die Alzheimer-Krankheit und die Huntington-Krankheit, von denen weltweit Millionen Menschen betroffen sind, werden mit einer defekten Blut-Hirn-Schranke in Verbindung gebracht. Die Sperre stoppt aber auch therapeutisch wichtige Medikamente auf dem Weg zum Gehirn. Deshalb versuchen Wissenschaftler, die Blut-Hirn-Schranke zu manipulieren. Bislang scheiterte ihre Strategie an fehlenden Modellsystemen für Laboruntersuchungen. Und Tierversuche eignen sich wegen der eingeschränkten Übertragbarkeit auf Menschen nur bedingt.

Jetzt stellen Forscher der Ben-Gurion University of the Negev, Israel, und der Cedars-Sinai Medical Center, USA, einen Biochip als Modell der menschlichen Blut-Hirn-Schranke vor. Basis waren Stammzellen freiwilliger Spender, die sich aus Blutproben gewinnen lassen. Eine Besonderheit von Stammzellen ist, dass sie sich je nach ihrer biologischen Umgebung in beliebige Zelltypen umwandeln. Im Experiment wurden daraus verschiedenen Zellen der Blut-Hirn-Schranke erzeugt.

Stammzellen wachsen auf dem Biochip 

Als Träger ihrer Blut-Hirn-Schranke verwendeten die Wissenschaftler einen Biochip. Ihr Tool hat ungefähr die Größe einer AA-Batterie. Es simuliert über die Mikrofluidik das Verhalten von Flüssigkeiten auf kleinstem Raum, vergleichbar mit feinsten Blutgefäßen im Körper. Weitere Parameter, etwa die Temperatur oder die Konzentration diverser Biomoleküle, lassen sich ebenfalls präzise steuern. Diese lebende, technisch hergestellte Umgebung bildet die natürliche Physiologie und die mechanischen Kräfte im Inneren unseres Gehirns nach.

Die Wissenschaftler untersuchten anschließend verschiedene Varianten. „Durch die Kombination patientenspezifischer Stammzellen mit Organ-on-Chip-Technologien haben wir ein personalisiertes Modell der menschlichen Blut-Hirn-Schranke erstellt“, sagt Gad Vatine. Er forscht an der Ben-Gurion University of the Negev. „Die Ergebnisse unserer Studie eröffnen neue Möglichkeiten für die Präzisionsmedizin.“

Erste Tests des Chips bei neurologischen Erkrankungen

Als Beispiel nennt Vatine Patienten mit dem Allan-Herndon-Dudley-Syndrom, einer seltenen angeborenen neurologischen Erkrankung. Bei Kindern fällt zuerst die Muskelschwäche auf. Später kommt es zur geistigen Retardierung. Auch hier arbeiteten die Forscher mit Hautzellen freiwilliger Spender. Sie aktivierten mehrere Gene, um daraus Stammzellen herzustellen. In einem zweiten Schritt wurden diese auf Biochips in neuronale Zellen umgewandelt. Ein Modellsystem der komplexen Erkrankung entstand. Überraschenderweise waren die Nerven voll funktionstüchtig. Nur die Blut-Hirn-Schranke wies Veränderungen auf. Schilddrüsenhormone konnten die Barriere nicht passieren, da wichtige Transporter fehlen. Genau hier liegt das Problem: Auch bekannte Arzneistoffe konnten nicht passieren. Vatine hofft, Biomoleküle zu entwickeln, um Hormone verpackt an den Ort des Geschehens zu bringen.

Auch bei Chorea Huntington, einer bis heute unheilbaren erblichen Erkrankung des Gehirns, könnten Biochips zu Durchbrüchen führen. Patienten leiden an einer zunehmenden Zerstörung bestimmter Gehirnbereiche, die zur Steuerung ihrer Muskeln und zur Ausführung kognitiver Leistungen wichtig sind. Aufgrund des Gendefekts wird ein falsches Eiweiß gebildet. Es lagert sich ab und zerstört Nervenzellen. Wünschenswert wäre, bestimmte Arzneistoffe wie Antikörper durch die Blut-Hirn-Schranke zu transportieren, um das falsche Protein zu eliminieren.

Modell für die Alzheimer-Forschung

Hierzulande sind Modelle der Blut-Hirn-Schranke ebenfalls ein heißes Thema der biomedizinischen Grundlagenforschung. Das HiPSTAR-Konsortium („Human iPS Cell-based Blood-Brain Barrier Technology in Alzheimer Research“) arbeitet an Modellen speziell für Morbus Alzheimer. Durch den Einsatz mikrofluidischer Systeme und die Simulation krankheitsspezifischer Einflüsse auf Zellen soll ein Modellsystem erzeugt werden, um mögliche Wirkstoffe zu untersuchen. „Wir gehen davon aus, dass eine veränderte Blut-Hirn-Schranke eine wesentliche Rolle in der Entstehung von Morbus Alzheimer spielt und die Prognose der Krankheit verschlechtert“, so Marco Metzger von der Universität Würzburg. Morbus Alzheimer ist die häufigste Demenzerkrankung weltweit – und bis heute nicht heilbar. Zahlreiche experimentelle Wirkstoffe enttäuschten, sobald sie am Menschen untersucht worden sind. Modellsysteme könnten hier Zeit sparen und Ressourcen schonen.

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