Gesundheit

Organs-on-a-Chip haben das Potenzial, die Arzneimittelentwicklung zu
revolutionieren. Forscherinnen und Forschern am Fraunhofer-Institut für
Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB ist es gelungen, verschiedene
Gewebe auf Chips zu bringen. Der jüngste Clou: die Nachbildung
menschlicher Netzhaut als Retina-Organoid. Im nächsten Schritt will das
Forscherteam mit der Organ-on-a-Chip-Technologie die
geschlechterspezifische Medizin erschließen.

Organ-on-a-chip-Systeme stellen eine große Bereicherung für die
medizinische Forschung dar: An Gewebekulturen in den Kammern eines
Kunststoffchips können Wirkstoffe getestet, Krankheitsursachen und
Therapieansätze erforscht werden. Im Innern der briefmarkenkleinen
Polymermodule werden winzige Gewebe und Organoide über Mikrokanäle von
einer Nährflüssigkeit am Leben gehalten. Die Systeme bieten eine
Alternative zu Tierversuchen (siehe Kurzinterview).

In dieser Technik gibt es mittlerweile eine breite Palette: Herzmuskel und
Leber, Niere und sogar Hirngewebe. Zu den Organ-on-a-Chip-Pionieren in
Europa zählt die Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Peter Loskill am Fraunhofer-
Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB in Stuttgart. Dem
Team ist es als bisher einzigem gelungen, unter anderem menschliches
Fettgewebe und die Netzhaut des Auges in einem Chip nachzubilden. Nachdem
es geglückt ist, die verschiedensten Gewebe auf Chips zu bringen, gilt es
nun, den Durchsatz der zu testenden Substanzen zu erhöhen. Die Zukunft
sind »Organ-on-a-Disc« – mit hunderten menschlichen Gewebeteilchen auf
einer handlichen Scheibe. Sie können der Technologie zum Durchbruch im
Routineeinsatz verhelfen.

Retina-on-a-Chip

Aktuell ist »Retina-on-a-Chip« eines der Highlights in Loskills Labor –
mit dem komplex aufgebauten Gewebe der menschlichen Netzhaut als Organoid.
Dr. Loskill und sein Team sind gerade dabei, der Retina auf dem Chip das
Sehen beizubringen. Gemeinsam mit ihren Kooperationspartnern an der
Universität Tübingen ist es ihnen gelungen, Stammzellen so zu
differenzieren und in die Chips zu integrieren, dass sie ein
mehrschichtiges Gewebe ausbilden. Es besteht unter anderem aus den
lichtempfindlichen Stäbchen und Zapfen, dem Pigmentepithel und
Ganglionzellen, die den optischen Nerv bilden. »Wenn wir die Retina
belichten, messen wir in den Stäbchen und Zapfen ein
elektrophysiologisches Signal«, erklärt Peter Loskill. »Jetzt arbeiten wir
an einem System, mit dem wir dieses Signal quantitativ auslesen können.«

Erkrankungen der Netzhaut erforschen

Sobald dies existiert, wird gemessen werden können, wie stark eine
Substanz das »Sehvermögen« der Retina auf dem Chip beeinflusst. »Die
Pharmaindustrie hat großes Interesse an der Retina-on-a-Chip«,
verdeutlicht Loskill. »Denn viele Arzneistoffe können Nebenwirkungen an
der Retina verursachen.« Modellsysteme sind bislang rar. Und Tiermodelle
sind nur begrenzt einsetzbar, da die Netzhaut von Tieren anders aufgebaut
ist als die des Menschen. Gleichzeitig eignet sich der Chip dazu,
Erkrankungen der Netzhaut zu erforschen und Medikamente zu entwickeln, zum
Beispiel gegen die altersbedingte Makuladegeneration oder gegen die
diabetische Retinopathie.

Die Rolle des Fettgewebes entschlüsseln

Medizinisch noch relevanter sind die Chips mit weißem Fettgewebe.
Angelehnt an die englische Bezeichnung »White Adipose Tissue« werden die
Systeme »WAT-on-a-Chip« genannt. Das Fettgewebe ist allein schon seiner
Masse wegen bedeutsam. Ein Viertel des Körpers eines gesunden Menschen
besteht aus Fettgewebe. Bei adipösen Menschen macht es bis zur Hälfte des
Gewichts aus. Erst in jüngerer Zeit wurde deutlich, dass das Fettgewebe
viele Hormone und andere Botenstoffe in den Blutkreislauf ausschüttet.
Vieles ist hier noch unverstanden. Die »WAT-on-a-Chip«-Systeme können
helfen, die Rolle des Fettgewebes im Körper besser zu verstehen und damit
verbundene Erkrankungen, wie zum Beispiel Diabetes, gezielter zu
therapieren. Außerdem lässt sich auf dem Chip verfolgen, wie Stoffe in die
Fettzellen eingelagert werden und ob sich Pflanzenschutzmittel oder auch
Mikroplasik im Fettgewebe anreichern.

Forschen für die geschlechterspezifische Medizin

Mit den »Organ-on-a-Chip«-Systemen will Peter Loskill ein weiteres
Forschungsfeld erschließen: geschlechtsspezifische Medizin. »Viele
Krankheiten zeigen bei Frauen und Männern unterschiedliche Ausprägung«,
betont er. »Dieser Aspekt wird in der medizinischen Forschung und
Arzneimittelentwicklung viel zu wenig berücksichtigt.« Die »Organ-
on-a-Chip« bieten die Möglichkeit, Gewebe von Männern und Frauen getrennt
zu untersuchen. Auf dem Chip kann man auch die Dynamik des weiblichen
Hormonzyklus simulieren und beobachten, welchen Einfluss er auf eine
Erkrankung und potenzielle Medikamente hat.

Ziel Lebensqualität: Im neu formierten Zentrum für Herzinsuffizienz des
Herz- und Diabeteszentrum NRW, Bad Oeynhausen, ermitteln interdisziplinäre
Teams für jedes Erkrankungsstadium die am besten geeignete Therapie.

Rund 6.500 Patienten jährlich werden im Herz- und Diabeteszentrum NRW (HDZ
NRW), Bad Oeynhausen, mit einer Pumpschwäche des Herzens
(Herzinsuffizienz) stationär behandelt. Die Herzinsuffizienz ist
nachweislich die häufigste Einzeldiagnose von vollstationär behandelten
Patienten.

Die fortschreitende Erkrankung begleitet die meisten Patienten über viele
Jahre. Während am Anfang oft eine medikamentöse Therapie deutliche
Linderung verschafft, kommen mit Fortschreiten der Erkrankung je nach
Patient und Krankheitsbild eine Vielzahl unterschiedlicher
Therapieverfahren in Betracht. In Bad Oeynhausen stellt ein gemeinsames
Behandlungsteam der Klinik für Thorax- und Kardiovaskularchirurgie unter
der Leitung von Prof. Dr. Jan Gummert, der Klinik für Allgemeine und
Interventionelle Kardiologie unter Prof. Dr. Volker Rudolph und der Klinik
für Elektrophysiologie/Rhythmologie unter der Leitung von Prof. Dr.
Philipp Sommer sicher, dass für jeden Patienten im Zuge seiner Erkrankung
die jeweils passende Therapie gefunden wird.

Das Herz- und Diabeteszentrum NRW ist ein überregionales, über die
Fachgesellschaften zertifiziertes Zentrum zur Behandlung der
Herzinsuffizienz (HFU – Heart Failure Unit).
„Die chronische Herzschwäche tritt mit zunehmendem Alter häufiger auf“,
sagt Professor Dr. Jan Gummert, Ärztlicher Direktor am HDZ NRW. „Aber auch
Diabetiker haben ein zwei- bis sechsfach erhöhtes Risiko, an einer
Herzinsuffizienz zu leiden.“ Eine frühzeitige Behandlung könne zudem
dadurch erschwert werden, dass bei einem Teil der Betroffenen erst zu
einem späten Zeitpunkt Symptome auftreten. „Auch Ursachen und Verlauf der
Erkrankung sind so unterschiedlich, dass dies einen Austausch der
verschiedensten Fachrichtungen erfordert, um Grad und Ausmaß einer
bestehenden Linksherz- sowie Rechtsherzschwäche, pulmonaler Hypertonie
oder weiterer Begleiterkrankungen exakt beurteilen und daraus die
bestmögliche und schonendste Behandlungsstrategie für den Patienten
entwickeln zu können.“ Seit vielen Jahren werde am Bad Oeynhausener
Spezialklinikum daher der intensive Austausch mit Hausärzten und
Fachärzten gepflegt. Zum Angebot zählen regelmäßige
Fortbildungsveranstaltungen, darunter Live-Übertragungen aus den OP-Sälen
und Herzkatheterlaboren.

Drei Fachkliniken unter einem Dach

Die ambulante und stationäre Betreuung der Patienten im neu formierten
Zentrum für Herzinsuffizienz erfolgt in enger interdisziplinärer
Zusammenarbeit zwischen der Klinik für Allgemeine und Interventionelle
Kardiologie/Angiologie unter der Leitung von Prof. Dr. Volker Rudolph, der
Klinik für Elektrophysiologie/Rhythmologie unter der Leitung von Prof. Dr.
Philipp Sommer, sowie der von Prof. Gummert geleiteten Klinik für Thorax-
und Kardiovaskularchirurgie. Gemeinsame oberärztliche Betreuungsteams und
speziell ausgebildete Pflegeteams versorgen Patienten mit schwerster
Herzinsuffizienz auf den in direkter Nachbarschaft gelegenen Stationen für
mechanische Kreislaufunterstützung und Herztransplantation.

Lebensqualität trotz komplexer Erkrankung

Da Herzinsuffizienz selten allein auftritt und persönliche Risikofaktoren
die Prognose beeinträchtigen können, werden bei Bedarf weitere
Spezialisten der Labordiagnostik, Diabetologie, Radiologie und Pneumologie
unter dem Dach des HDZ NRW eingebunden. „Eine Multisystemerkrankung
erfordert ein multidisziplinäres Team“, erläutert Prof. Rudolph die
Behandlungsstrategie am Zentrum. „Zunächst gilt es dabei immer, die
Ursache der Herzinsuffizienz zu erkennen und – soweit möglich – zu
beseitigen.“ Das bedeute: Ein hoher Blutdruck muss gesenkt, eine koronare
Herzerkrankung gegebenenfalls mit einem Eingriff im Herzkatheterlabor
behandelt, eine Klappenerkrankung möglicherweise operiert werden.
Patienten mit Rhythmusstörungen oder Vorhofflimmern können dagegen von
Medikamenten, einer Schrittmacher-Implantation oder einer Katheterablation
sowie von den bei uns etablierten Spezialverfahren zur kathetergestützten
Behandlung von Herzklappen profitieren.“ Weitere wichtige Elemente dieses
Konzepts seien die differenzierte Ursachenabklärung einer
Rechtsherzschwäche sowie die gemeinsame Beurteilung und leitliniengerechte
Behandlung eines Lungenhochdrucks.

Mitunter lässt sich die Kontraktionsfähigkeit und die Pumpleistung des
Herzens mit einer sogenannten kardialen Resynchronisationstherapie (auch:
biventrikuläre Schrittmachertherapie) verbessern. „Ein solcher
Schrittmacher unterstützt das Zusammenziehen des Herzmuskels und
verbessert die Zusammenarbeit der beiden Herzkammern bei Patienten mit
einer Herzinsuffizienz“, erläutert Prof. Sommer, der sich am HDZ auf
besonders strahlungsarme Eingriffe spezialisiert hat und dazu Anfang
dieses Jahres ein neues Herzkatheterlabor in Betrieb genommen hat.

Patienten mit Herzschwäche steht am HDZ zudem über das Institut für
angewandte Telemedizin (IFAT) seit vielen Jahren eine umfassende
telemedizinische Versorgung und Betreuung in enger Abstimmung mit
Hausärzten und niedergelassenen Kardiologen zur Verfügung, die aktuell mit
modernster Technologie ausgestattet wird.

Die Forschung über die Zusammenhänge von chronischer Herzinsuffizienz und
nächtlichen Schlaf- und Atmungsstörungen hat am HDZ eine lange Tradition.
Hier wurde einst das bundesweit erste kardiologisch geführte Schlaflabor
eingerichtet. Jüngere Forschungsbereiche am Erich und Hanna Klessmann-
Institut für kardiovaskuläre Forschung und Entwicklung sowie am Agnes-
Wittenborg-Institut für Translationale Forschung des HDZ NRW beschäftigen
sich mit Aspekten der Kardiogenetik sowie der Entwicklung neuer Ansätze
für die medikamentöse Therapie der Herzschwäche. In der Pflege wurde 2018
ein eigener Pflege-Forschungsschwerpunkt für Herzinsuffizienz
eingerichtet.

„Oberstes Ziel unserer gemeinsamen Behandlungsstrategie ist es, unsere
Patienten in jedem Stadium ihrer Erkrankung die bestmögliche
Lebensqualität auf Dauer zu erhalten“, fasst Prof. Gummert die Devise des
erfahrenen Bad Oeynhausener Herzteams zusammen, die auch wichtige
Ansprechpartner für Selbsthilfegruppen sind. Das Herzinsuffizienz-Zentrum
in Bad Oeynhausen deckt dabei das gesamte Spektrum moderner
Behandlungsverfahren ab, angefangen von der frühen Diagnose bis zu den
Möglichkeiten der Spitzenmedizin mit einem der weltweit umfassendsten
Kunstherzprogramme für schwerstkranke Herzpatienten. Als größtes
Herztransplantationszentrum in Europa ist das HDZ NRW letztlich auch
Hoffnungsträger für Patienten, die auf eine Herztransplantation warten
müssen. Info und Ansprechpartner im Behandlungszentrum für
Herzinsuffizienz sind über Homepage des HDZ NRW zu finden: www.hdz-nrw.de.

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Das Herz- und Diabeteszentrum Nordrhein-Westfalen (HDZ NRW), Bad
Oeynhausen, ist ein international anerkanntes Zentrum zur Behandlung von
Herz-, Kreislauf- und Diabeteserkrankungen. Mit 35.000 Patienten pro Jahr,
davon 14.000 in stationärer Behandlung, ist das HDZ NRW ein führendes
Spezialklinikum in Europa. Unter einem Dach arbeiten fünf
Universitätskliniken und Institute seit 35 Jahren interdisziplinär
zusammen. Das HDZ NRW ist Universitätsklinik der Ruhr-Universität Bochum.