德累斯顿弗劳恩霍夫材料与射线技术研究所IWS与汉诺威弗劳恩霍夫毒理学与实验医学研究所ITEM以及雷根斯堡大学合作，开发了特殊的微系统。他们现在正在其中模拟真实条件下的肿瘤组织切片。
弗劳恩霍夫IWS多年来一直成功开发尺寸相当于药盒的微生理系统。这些系统利用细胞培养物人工模拟器官功能或疾病过程，在体外研究疾病并测试药物。弗劳恩霍夫IWS开发工程师Stephan Behrens解释说：“我们将多层塑料薄膜堆叠在一起。”首先使用激光对其进行结构化处理。由此产生的通道和腔室、泵和阀门。这模拟了人体内的特定过程。微生理系统中循环着一种类似血液的液体，为细胞提供氧气和营养。一个跨学科项目中的新挑战是在微生理系统中研究肿瘤转移。
雷根斯堡大学实验医学与治疗方法学主席、弗劳恩霍夫ITEM个性化肿瘤治疗部门负责人Christoph Klein教授带着这个愿望找到了弗劳恩霍夫IWS。德国研究联合会于2020年与埃尔朗根-纽伦堡大学一起批准了雷根斯堡的一个特别研究项目。其目标是揭示转移瘤如何侵袭器官。
肿瘤与免疫系统在芯片上相互作用
»Um dies untersuchen zu können, war es für uns wichtig, mehrere Tumorgewebeschnitte in unser mikrophysiologisches System zu integrieren«, sagt Florian Schmieder, Gruppenleiter am Fraunhofer IWS. Erstmals weltweit sei das in diesem Projekt gelungen. Bis zu zehn Gewebeschnitte können nun parallel auf einem Chip kultiviert werden. Das Team am Fraunhofer IWS realisierte zusätzlich Öffnungen, an denen es zu jeder Zeit Proben zur Untersuchung entnehmen kann. »Außerdem lassen sich wichtige Parameter wie der CO2-Gehalt, der pH-Wert oder die Sauerstoffkonzentration kontinuierlich messen«, führt Schmieder weiter aus. »Die dafür verwendeten Sensoren messen direkt im mikrophysiologischen System und lassen sich für weitere Untersuchungen wiederverwenden.«
Ihr Wissen rund um die Gewebeschnitte brachten die Experten des Fraunhofer ITEM ein. Sie setzten dafür feinste Schnitte aus Lungengewebe ein, erklärt Prof. Armin Braun, am Fraunhofer ITEM Bereichsleiter Präklinische Pharmakologie und Toxikologie. »Bei der Operation eines Patienten mit einem Lungentumor wird nicht nur der Tumor selbst, sondern auch gesundes Gewebe entnommen.« Ein mit einer oszillierenden Rasierklinge ausgestattetes Vibratom erzeugt aus diesen Proben hauchdünne Scheiben mit einer Dicke von 350 Mikrometern und einem Durchmesser von zirka einem Zentimeter. Diese seien immer noch gut mit Nährstoffen versorgt. Aufgebracht auf den Chip blieben die Gewebeschnitte im mikrophysiologischen System über eine längere Zeit vital und funktional. »Wir können somit die Interaktion des humanen Immunsystems mit dem Tumor beobachten«, fügt Braun hinzu. Alle relevanten Immunzellen seien bereits im Schnitt vorhanden. »Damit sind wir sehr nah am realen System, viel näher als das mit Tiermodellen möglich wäre.«
Systeme auch zur Erforschung anderer Erkrankungen nutzen
那么，癌症究竟是如何发展的，又是如何在体内扩散的？其中一个关键点是：肿瘤的代谢与正常组织的代谢不同。“对医生来说，能够研究出是什么样的条件吸引了器官中的转移灶，这一点很重要，” Florian Schmieder 解释道。高氧浓度和 pH 值对此至关重要。未来，弗劳恩霍夫 IWS 的研究人员希望在微系统中更有效地调节这些环境条件。“到目前为止，例如，我们可以改变整个系统中的氧含量，”他进一步解释道。现在的挑战是，在芯片上实现不同的氧浓度，以观察肿瘤细胞和转移灶对此的反应。
如果能将一名患者的多种组织类型结合起来，那将是理想的。“但现实中，这样的样本极其罕见，”Schmieder 指出。然而，将同一名患者的血液样本和组织在系统中结合起来是可能的。与各种传感器结合，就能产生一种迄今为止通过其他方法无法实现的附加值。因此，该技术也可以作为现有动物实验的有益替代方案。但遗憾的是，研究目前还不能完全避免使用动物模型。
与此同时，弗劳恩霍夫 IWS 的 15 人团队还在进行其他项目，测试将组织切片用于其他疾病。其中一个例子是纤维化。在这种情况下，免疫系统与组织发生反应，导致组织病理性硬化并部分丧失功能。这些过程限制了组织和器官的功能。“我们在弗劳恩霍夫内部的 FIBROPATHS 项目中研究这个问题，”Schmieder 说。需要弄清楚各个组织在微型实验室中需要哪些特定的系统，以便能够更长时间地培养它们。
为癌症患者提供新疗法成为可能
利用微生理系统研究肿瘤生长和转移形成迄今为止的成果，让 Christoph Klein 教授感到乐观。“如果我们想研究疾病，这是一个我们获得的一个新的、非常有趣的可能性，”这位医生说。“全面理解转移发生是开发新疗法的关键，这些疗法可以阻止癌症患者体内日后发生转移”
Florian Schmieder 认为这项技术具有巨大的未来潜力：“我们的系统将变得越来越模块化。”未来可以重新组合不同的模块，以解决各种各样的科学问题。
另请阅读：
