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Knochen-auf-dem-Chip

Tiermodelle sind für die Erforschung der Biologie, der embryonalen Entwicklung des Knochens und für biomedizinische Untersuchungen von Knochenerkrankungen immer noch unverzichtbar. Doch sind Tierversuche im muskuloskeletalen Bereich oft mit einer erheblichen Belastung der Versuchstiere verbunden. Weiterhin erschweren Spezies-spezifische Unterschiede die Übertragbarkeit von Ergebnissen auf den Menschen. Bislang gibt es keinerlei experimentelle in vitro Verfahren, die die wesentlichen Entwicklungsschritte des Knochens in ihrer Komplexität nachstellen, um z.B. Substanzen auf ihre therapeutische oder toxische Wirkung hinsichtlich der Skelettentwicklung testen zu können.

Organ-Chip-Systeme

Organ-Chip-Systeme sind miniaturisierte Bioreaktoren und eignen sich besonders, um die Physiologie eines bestimmten Gewebes nachzubilden und die Ko-Kultur von Zellen in 2D und 3D zu ermöglichen. Anders als bei herkömmlicher 2D-Zellkultur können hier gewebespezifische Parameter nachgebildet werden, um die Funktion eines Organs teilweise oder vollständig nachzubilden. In diesem Projekt soll ein Knochen-auf-dem-Chip entwickelt werden.

Knochen-auf-dem-Chip-System

Das Knochen-auf-dem-Chip-System umfasst eine 3D Nachbildung des Knochens, die alle wichtigen humanen Zelltypen enthält. Der Sauerstoffgehalt in unseren Knochen sowie die mechanische Belastung, der wir täglich ausgesetzt sind, sind wichtige physikalische Parameter, die die Funktion des Knochens mitbestimmen. Deshalb nutzen wir den miniaturisierten Bioreaktor, um den Sauerstoffgehalt und die mechanische Belastung zu überwachen und zu regulieren, um damit die Umgebung des Knochens möglichst realitätsnah zu imitieren.

Der Knochen-auf-dem-Chip soll es ermöglichen, adultes Gewebe sowie die Neubildung von Knochen während der Embryogenese nachzubilden. Damit ist eine Reihe verschiedener Anwendungen in der Grundlagenwissenschaft und Toxikologie denkbar. Je nach Organoid können z.B. die Prozesse der embryonalen Knochenneubildung (desmale und enchondrale Ossifikation) abgebildet werden. Eine Stärke des Knochen-auf-dem-Chip besteht darüber hinaus in der Möglichkeit, Krankheitsmodelle zu erstellen, indem primäre Zellen von erkrankten Patienten genutzt werden, um Organoide zu erstellen und somit Krankheitsbilder wie Osteoporose im Labor nachzubilden. Dies könnte zukünftig die Testung neuer Medikamente und Behandlungsstrategien ohne den Einsatz von Versuchstieren ermöglichen. Ein humaner Knochen-auf-dem-Chip hat das Potential, die Biologie der Knochenbildung im Labor untersuchen zu können, direkt teratogen wirkende Substanzen zu identifizieren und Krankheitsmodelle zu erstellen. Somit können Tierversuche in ihrer Anzahl reduziert oder auch gänzlich ersetzt werden.

Grafik Knochen auf dem Chip

 

Bild: Schematische Darstellung der wichtigsten Charakteristika des Knochengewebes und deren Nachbildung durch einen Organoid und einen mikrophysiologischen Bioreaktor.

 

Weiterführende Literatur:

Marx-Stoelting, P., Solano, M.L.R., Aoyama, H., Adams R.H., Bal-Price A.,, Buschmann, J., Chahoud, I., Clark, R., Fang, T., Fujiwara, M., Gelinsky, M., Grote, K., Horimoto, M., Bennekou, S.H., Kellner, R., Kuwagata, M., Leist, M., Lang, A., Li, W., Mantovani, A., Makris, S.L., Paumgartten, F., Perron, M., Sachana, M., Schmitt, A., Schneider, S., Schönfelder,. G, Schulze, F., Shiota, K., Solecki, R. (2021). 25th anniversary of the Berlin workshop on developmental toxicology: DevTox database update, challenges in risk assessment of developmental neurotoxicity and alternative methodologies in bone development and growth. Reprod Toxicol, 100, 155-162. https://doi.org/10.1016/j.reprotox.2020.11.003

Solecki, R., Rauch, M., Gall, A., Buschmann, J., Kellner, R., Kucheryavenko, O., Schmitt, A., Delrue, N., Li, W., Hu, J., Fujiwara, M., Kuwagata, M., Mantovani, A., Makris, S.L., Paumgartten, F., Schönfelder, G., Schneider, S., Vogl, S., Kleinstreuer, N., Schneider, M., Schulze, F., Fritsche, E., Clark, R., Shiota, K., Chahoud, I. (2019) Update of the DevTox data database for harmonized risk assessment and alternative methodologies in developmental toxicology: Report of the 9th Berlin Workshop on Developmental Toxicity. Reprod Toxicol. 89, 124-129. https://doi.org/10.1016/j.reprotox.2019.07.003

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Scheinpflug, J., Pfeiffenberger, M., Damerau, A., Schwarz, F., Textor, M., Lang, A., & Schulze, F. (2018). Journey into Bone Models: A Review. Genes, 9(5). https://doi.org/10.3390/genes9050247

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Schulze, F., Gao, X., Virzonis, D., Damiati, S., Schneider, M. R., & Kodzius, R. (2017). Air Quality Effects on Human Health and Approaches for Its Assessment through Microfluidic Chips. Genes, 8(10). https://doi.org/10.3390/genes8100244

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