Zellen bei der Arbeit zuhören

Peter Jones und Udo Kraushaar testen Wirkstoffe an einzelnen menschlichen Zellen. Der eine entwickelt dafür miniaturisierte Test-Chips, der andere wendet die Chips im Experiment an. Die Methode trägt dazu bei, die Zahl von notwendigen Tierversuchen vor der Zulassung von Medikamenten deutlich zu reduzieren.

Dieser Mikrochip kann über 60 Elektroden die Entladung von Zellen messen.

Menschliche Herzmuskelzellen zucken rhythmisch unter dem Mikroskop. Sie liegen wie ein 3D-Mini-Herz auf einem Chip, einem sogenannten Mikroelektrodenarray (MEA). Alle paar Sekunden ziehen sich die Herzmuskelzellen zusammen, werden kleiner, wieder größer. Alle gleichzeitig. Regelmäßig. Winzige Elektroden messen ihre Entladung.

Dabei möchte Dr. Udo Kraushaar sie ein wenig durcheinanderbringen, gibt Substanzen zu den Zellen und schaut, ob sie dann immer noch regelmäßig zucken. Oder ihren Rhythmus verlieren. Oder ganz aufhören zu pulsieren. Ein Bildschirm zeigt die Entladung der Zellen in Kurven. Wie ein EKG. Udo Kraushaar möchte die Herzzellen lieber jetzt durcheinanderbringen, als dass „irgendwann mal jemand vom Fahrrad fällt, weil er oder sie eine Kopfschmerztablette nicht verträgt“, sagt er. Das Beispiel ist nicht fiktiv: Kraushaar testet mögliche Nebenwirkungen von neuen Substanzen auf Organoide des menschlichen Herzens und vieler weiterer Organe und hilft, ungeeignete Kandidaten für ein neues Medikament auszusortieren.

Wenn ein Pharmaunternehmen ein neues Mittel entwickeln möchte, fängt es mit hundert- bis zweihunderttausend Substanzen an und reduziert systematisch die Zahl der Wirkstoffe auf die vielversprechendsten Kandidaten. Wenn noch ungefähr fünfzig bis hundert übrig sind, kommen Udo Kraushaar und sein Team ins Spiel. So ein Organoid sieht aus wie ein kleiner weißer Klumpen, immerhin so groß, dass er mit dem bloßen Auge auf dem Mikroelektroden-Chip unterm Mikroskop zu erkennen ist. Um die Zellen für die Entstehung von Herz-Organoiden zu erhalten, mussten zuvor einmalig per Biopsie einer oder einem Freiwilligen Zellen aus der Haut entnommen und auf dem Umweg über adulte Stammzellen zu Herzmuskeln weitergezüchtet werden. Die Zellen verhalten sich erwartungsgemäß: Sie ziehen sich zusammen und dehnen sich wieder aus. Wie ein Herz.

In dieser Phase der Medikamentenentwicklung sind üblicherweise bereits zwischen fünf und zehn Jahre vergangen. Erst wenn nur noch zwei bis fünf Wirkstoff-Kandidaten übrig sind, beginnt die klinische Phase, also der Test am Menschen selbst. „Wenn ein Pharmaunternehmen eine Substanz in die klinische Phase gibt und scheitert – dann sind eine Milliarde Euro futsch“, sagt Udo Kraushaar. Deshalb sortiert er vor. Auch Tierversuche finden vor der klinischen Phase statt. Die Experimente von Kraushaar jedoch sind näher an der Physiologie des Menschen und reduzieren die Notwendigkeit von Tierversuchen. Die genaue Messung der Entladung – die sogenannte „Potenzialmessung“ – kann Kraushaar nur vornehmen, weil die Zellen auf einem Chip mit Mikroelektroden liegen. Unter dem Mikroskop sind sie ungefähr so groß wie eine Zelle und gleichmäßig im Zentrum der Platine verteilt. Von dort führen 60 elektrisch leitende Bahnen in gleichmäßigen Strahlenmustern in ein größeres Viereck, dessen Seitenlinien sich aus kleinen viereckigen Kontakten zusammensetzen. Hier wird der Stromstoß aus der Zelle abgenommen und verstärkt.

„Wir hören einzelnen Zellen zu“, sagt Kraushaar, „und Gruppen von Zellen und verstärken ihre Signale zu einem Konzert.“ Er schiebt mit dem Cursor am Bildschirm einen Regler nach rechts. Nun sind die Zuckungen des Herz-Organoids als rhythmisches Rauschen zu hören. Die Herstellung der Mikroelektroden-Chips ist Maßarbeit. Sie findet vier Stockwerke tiefer im NMI Naturwissenschaftlichen und Medizinischen Institut an der Universität Tübingen in Reutlingen statt. Der Name des Instituts ist kompliziert, erklärt sich aber aus der Verbindung von Grundlagenforschung, die durch die Kooperation sehr oft mit der Universität Tübingen stattfindet, und der anwendungsbezogenen Forschung in der Nähe zur Industrie am Standort Reutlingen und weit darüber hinaus.

In seinem Labor im ersten Stockwerk stellen der Ingenieur Dr. Peter Jones und sein Team die Mikroelektrodenarrays her. Zuerst beginnen sie mit einem Glassubstrat, auf das sie mehrere Schichten nacheinander aufbringen und strukturieren. Die erste Schicht ist leitfähig, typischerweise aus Titan oder dem transparenten Leiter ITO (Indiumzinnoxid), und bildet die Verbindungen zu den Mikroelektroden. Als zweite Schicht folgt eine isolierende Schicht, meist aus Siliziumnitrid, die die Leiterbahnen abdeckt. Der Isolator wird dann im Bereich der Mikroelektroden geöffnet, indem winzige Löcher präzise geätzt werden. Je nach Anwendung haben die Löcher einen Durchmesser von 10 bis 30 Mikrometern. Die dritte Schicht besteht aus dem Elektrodenmaterial, häufig Titannitrid (TiN), um den Mikroelektroden sehr gute elektrochemische Eigenschaften zu geben. Schließlich wird eine Kammer auf das Substrat geklebt, die als Schale dient, in der Zellen oder Gewebe leben können.

Peter Jones experimentiert seit Jahren mit Materialien und Herstellungsverfahren. Die Tochterfirma des NMI produziert die Mikroelektrodenarrays in großer Stückzahl, eine weitere Firma im Industriepark Reutlingen liefert sie in alle Welt an Forschungslabors in Wissenschaft und Industrie aus. „Die neuen humanen 3D-In-vitro-Modelle wie Organoide und Organ-on-Chip-Modelle benötigen neue Technologien. Wir entwickeln unsere Chips nach diesen Bedürfnissen, sodass daraus sowohl wissenschaftliche Papers entstehen, aber auch Produkte, die in Laboren weltweit zum Einsatz kommen“, sagt Peter Jones.

Ohne die Mikroelektroden-Chips könnte Udo Kraushaar keine potenziellen Medikamente an Herz-Organoiden testen. Zwei ungleiche Komponenten aus lebloser und belebter Materie.

Udo Kraushaar (links) und Peter Jones arbeiten für das NMI, eine außeruniversitäre Forschungseinrichtung, die anwendungsorientierte Forschung an der Schnittstelle von Bio- und Materialwissenschaften betreibt. Dabei richtet sich das Institut mit seinen zweihundert Mitarbeitern an die Gesundheitswirtschaft und an regionale und internationale Firmen aus dem Fahrzeug-, Maschinen- und Werkzeugbau. Zugleich unterstützt das NMI Ausgründungen von Start-ups. In der Forschung arbeitet das NMI mit Institutionen wie der Universität Tübingen, dem Universitätsklinikum Tübingen und den Instituten der Innovationsallianz Baden-Württemberg (innBW) zusammen