Biomedizinische Ingenieure der Duke University haben eine ultradünne Membran auf Seidenbasis entwickelt, die in Organ-on-a-Chip-Modellen verwendet werden kann, um die natürliche Umgebung von Zellen und Geweben im Körper besser nachzuahmen. Bei Verwendung in einer Organ-on-a-Chip-Plattform für Nieren half die Membran beim Wachstum von Geweben, um die Funktionalität sowohl gesunder als auch kranker Nieren nachzubilden.
Indem die Zellen dichter zusammenwachsen, können Forscher mit dieser neuen Membran das Wachstum und die Funktion wichtiger Zellen und Gewebe in jedem Organ besser kontrollieren. So können sie ein breites Spektrum von Krankheiten präziser modellieren und Therapien testen.
Die Forschung war veröffentlicht 5. Juni im Journal Wissenschaftliche Fortschritte.
Organ-on-a-Chip-Systeme (OOC) sind oft nicht größer als ein USB-Stick und haben die Art und Weise revolutioniert, wie Forscher die zugrunde liegende Biologie des menschlichen Körpers untersuchen, sei es bei der Erstellung dynamischer Modelle von Gewebestrukturen, der Untersuchung von Organfunktionen oder der Modellierung von Krankheiten.
Diese Plattformen sind darauf ausgelegt, Zellwachstum und -differenzierung so zu stimulieren, dass das jeweilige Organ bestmöglich nachgeahmt wird. Forscher können diese Tools sogar mit menschlichen Stammzellen bestücken, um patientenspezifische Organmodelle für präklinische Studien zu erzeugen.
Doch im Zuge der technologischen Entwicklung traten auch Probleme beim Design des Chips zutage – vor allem im Hinblick auf die Materialien, aus denen die Membranen bestehen, die die Trägerstruktur für das Wachstum der spezialisierten Zellen bilden.
Diese Membranen bestehen normalerweise aus Polymeren, die nicht zerfallen und eine dauerhafte Barriere zwischen Zellen und Gewebe bilden. Während die extrazellulären Membranen in menschlichen Organen oft weniger als einen Mikrometer dick sind, sind diese Polymermembranen zwischen 30 und 50 Mikrometer dick, was die Kommunikation zwischen Zellen behindert und das Zellwachstum begrenzt.
„Wir möchten die Gewebe in diesen Chips genauso behandeln, wie ein Pathologe Biopsieproben oder sogar lebendes Gewebe eines Patienten behandeln würde. Mit den Standardpolymermembranen war dies jedoch nicht möglich, da die zusätzliche Dicke die Zellen daran hinderte, Strukturen zu bilden, die dem Gewebe im menschlichen Körper ähnlicher sind.
„Wir dachten: ‚Wäre es nicht schön, wenn wir ein proteinbasiertes Material erhalten könnten, das die Struktur dieser natürlichen Membranen nachahmt und dünn genug ist, um es in Scheiben zu schneiden und zu untersuchen?‘“, sagt Samira Musah, Assistenzprofessorin für Biomedizintechnik.
Diese Frage führte Musah und George (Xingrui) Mou, einen Doktoranden in Musahs Labor und Erstautor der Studie, zu Seidenfibroin, einem von Seidenraupen erzeugten Protein, das elektronisch zu einer Membran gesponnen werden kann. Unter dem Mikroskop betrachtet sieht Seidenfibroin wie Spaghetti oder ein Gemälde von Jackson Pollock aus.
Das poröse Material besteht aus langen, ineinander verschlungenen Fasern und ahmt die Struktur der extrazellulären Matrix menschlicher Organe besser nach. Es wurde bereits früher zur Herstellung von Gerüsten für Zwecke wie die Wundheilung verwendet.
„Das Seidenfibroin ermöglichte es uns, die Membrandicke von 50 Mikrometer auf 5 oder weniger zu reduzieren, was uns um eine Größenordnung näher an das heranbringt, was man in einem lebenden Organismus sehen würde“, erklärte Mou.
Um diese neue Membran zu testen, haben Musah und Mou das Material auf ihre Nierenchipmodelle aufgetragen. Diese OOC-Plattform besteht aus durchsichtigem Kunststoff und ist etwa so groß wie ein Vierteldollar. Sie soll einem Querschnitt einer menschlichen Niere ähneln – genauer gesagt der glomerulären Kapillarwand, einer Schlüsselstruktur des Organs, die aus Blutgefäßbündeln besteht und für die Blutfilterung verantwortlich ist.
Nachdem die Membran platziert war, fügte das Team dem Chip Derivate menschlicher induzierter pluripotenter Stammzellen hinzu. Sie beobachteten, dass diese Zellen Signale über die ultradünne Membran senden konnten, was den Zellen half, sich in glomeruläre Zellen, Podozyten und vaskuläre Endothelzellen zu differenzieren.
Die Plattform löste außerdem die Entwicklung von Endothelfenstern im wachsenden Gewebe aus. Dabei handelt es sich um Löcher, die den Durchgang von Flüssigkeit zwischen den Zellschichten ermöglichen.
Am Ende des Tests hatten sich diese verschiedenen Nierenzelltypen zu einer glomerulären Kapillarwand zusammengeschlossen und konnten Moleküle effizient nach Größe filtern.
„Die Fähigkeit des neuen Mikrofluid-Chip-Systems, Gewebe-Gewebe-Grenzflächen in vivo zu simulieren und die Bildung spezialisierter Zellen wie fenestriertem Endothel und reifen glomerulären Podozyten aus Stammzellen zu induzieren, birgt erhebliches Potenzial für die Weiterentwicklung unseres Verständnisses der menschlichen Organentwicklung, des Krankheitsverlaufs und der Therapieentwicklung“, sagte Musah.
Während sie ihr Modell weiter optimieren, hoffen Musah und seine Kollegen, diese Technologie nutzen zu können, um die Mechanismen von Nierenerkrankungen besser zu verstehen. Obwohl mehr als 15 % der amerikanischen Erwachsenen von Nierenerkrankungen betroffen sind, mangelt es den Forschern an wirksamen Modellen für diese Krankheit. Außerdem wird die Diagnose bei Patienten häufig erst gestellt, wenn die Nieren bereits erheblich geschädigt sind, und sie müssen sich häufig einer Dialyse unterziehen oder eine Nierentransplantation erhalten.
„Die Nutzung dieser Plattform zur Entwicklung von Nierenkrankheitsmodellen könnte uns dabei helfen, neue Biomarker für die Krankheit zu entdecken“, sagte Mou. „Sie könnte uns auch dabei helfen, nach Medikamentenkandidaten für verschiedene Nierenkrankheitsmodelle zu suchen. Die Möglichkeiten sind sehr spannend.“
„Diese Technologie hat Auswirkungen auf alle Organ-on-a-Chip-Modelle“, sagte Musah. „Unsere Gewebe bestehen aus Membranen und Schnittstellen, daher kann man sich vorstellen, diese Membran zu verwenden, um Modelle anderer Organe wie Gehirn, Leber und Lunge oder anderer Krankheitszustände zu verbessern. Darin liegt die wahre Stärke unserer Plattform.“
Mehr Informationen:
Xingrui Mou et al., Eine ultradünne Membran vermittelt gewebespezifische Morphogenese und Barrierefunktion in einem menschlichen Nierenchip, Wissenschaftliche Fortschritte (2024). DOI: 10.1126/sciadv.adn2689