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A beating Heart-on-Chip for pre-clinical early detection of drugs cardiac safety

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Ein schlagendes Herz auf einem Chip wird den Markeintritt von Arzneimitteln beschleunigen

Mit einer herzähnlichen In-vitro-Plattform werden die zeitlichen Einschränkungen und Nebeneffekte der herkömmlichen Arzneimittelprüfung beseitigt.

Gesundheit

Die Arzneimittelentwicklung ist zeitaufwendig und teuer. Im Durchschnitt beläuft sich die Entwicklungsdauer eines neuen Medikaments auf zwölf Jahre. Dabei fallen Milliarden Euro an Kosten an. Die Arzneimittelprüfung kann bei Personen und Tieren, die entsprechenden Tests unterzogen werden, unerwünschte Nebenwirkungen auslösen. Zudem stellen sich viele Wirkstoffe als ungeeignet heraus: Weniger als 1 % der anfänglich untersuchten Wirkstoffkandidaten kommen letztlich auf den Markt. „Je weiter in der Entdeckungsphase sich ein Wirkstoff als nicht erfolgreich herausstellt, desto mehr Investitionen werden vergeudet – in Bezug auf Finanzmittel, Zeit und die Sicherheit der Menschen“, erklärt Roberta Visone, leitende Geschäftsführerin von BiomimX. Das italienische KMU BiomimX hat eine leistungsstarke neue Lösung in Form eines schlagenden Herzens auf einem Chip vorgelegt. Auf Wirkstoffe reagiert es ähnlich wie das menschliche Herz, sodass Forschende und biopharmazeutische Unternehmen neue Medikamente auf deren Toxizität überprüfen und die Entwicklung beschleunigen können. Das EU-finanzierte Projekt uHeart ermöglichte es dem Unternehmen, den Grundstein für die kommerzielle Verfügbarkeit dieses Produkts zu legen. „Dieses ‚schlagende Herz auf einem Chip‘ lässt nach aktuellem Stand menschenähnliche Reaktionen auf Wirkstoffe erkennen und simuliert damit das natürliche Herz“, so Visone.

Herzschlag durch mechanisches Training

Die patentierte uBeat™-Technologie stellt 3D-Zellkonstrukte innerhalb einer kontrollierbaren mechanischen Simulation bereit. Durch dieses mechanische Training, das dem natürlichen Herzschlag ähnelt, wird das In-Vitro-Herz angewiesen, wie ein biologisches Herz zu schlagen. So können Forschende genau beurteilen, wie ein funktionierendes menschliches Herz auf bestimmte Medikamente reagieren würde. Dies eröffnet eine völlig neue Dimension in puncto Präzision und Fehlerfreiheit. „Dank uBeat™ können wir prädiktive Modelle menschlicher Organe und Pathologien erstellen, die uns wertvolle Erkenntnisse liefern. Auf dieser Grundlage lassen sich auch klinische Studien intelligenter planen“, fügt Visone hinzu. Zur Züchtung des Herzens werden bei dieser Technologie induzierte pluripotente Stammzellen angewendet. Mithilfe der Schlagmechanik bilden sich innerhalb einer Woche ein menschliches Herzgewebe und ein lebensechter Schlagrhythmus heraus. Bei jedem Herzschlag werden elektrische Impulse durch das Gewebe gesendet. Dies führt zur Kontraktion der Herzzellen und zur mechanischen Deformation einer extrazellulären Matrix. Dank einer zweiten, patentierten Technologie (uECG) lassen sich mit uHeart solche elektrischen Signale auch online erkennen und elektrophysiologische, wirkstoffinduzierte Veränderungen in Echtzeit überwachen.

Durchschlagender Erfolg

Um uHeart für die Kardiotoxizitätsprognostik kommerziell nutzbar zu machen, konzentriert sich das Team derzeit auf zwei Aspekte: die industrielle Fertigung des Geräts, um das vonseiten der Pharmaunternehmen erforderliche Automatisierungs- und Durchsatzniveau zu erreichen, sowie die pharmakologische Validierung, um die überragende Prognosefähigkeit von uHeart in Bezug auf kardiotoxische Wirkungen im Vergleich zu bestehenden In-vitro-Modellen und Tierstudien zu beweisen. „Beide Schritte sind dank aktiver strategischer Kooperationen im Gange“, erläutert Visone. Im Rahmen des Projekts bestätigte sich schließlich, dass uHeart reproduzierbar und genau wie natürliches Herzgewebe auf Wirkstoffe reagiert. „Dazu untersuchten wir bekannte kardiotoxische Verbindungen beim uHeart-Herzen und stießen auf eine erwartungsgemäße funktionale Änderung der elektrophysiologischen Aktivität“, so Visone weiter. Zusätzlich zu den fortlaufenden Anstrengungen zum Markteintritt und zur pharmakologischen Validierung von uHeart befasst sich das Team auch mit der Anwendung der Technologie in der Präzisionsmedizin. „uHeart ist ein geradezu ideales Instrument zur Modellierung spezifischer Herzpathologien mit einer möglichen Einzellösung für Patientinnen und Patienten. Es ebnet so den Weg für die Prüfung patientenspezifischer Therapien“, folgert Visone. Darüber hinaus weitet das Unternehmen sein Portfolio auf die Modellierung verschiedener Organe und Krankheiten aus. Die mechanische Simulation ist in der Tat nicht nur für eine verbesserte Heranreifung des Herzgewebes wichtig, sondern auch für die realistische In-vitro-Simulation von Geweben oder Krankheitsstadien, bei denen eine Änderung der mechanischen Mikroumgebung eine pathophysiologische Reaktion auslöst. Ein weiteres Modell auf derselben Entwicklungsstufe, das sich ebenfalls auf die uBeat-Technologie stützt, ist das erste In-vitro-Modell der Osteoarthrose bei menschlichen Gelenken. In Planung sind bereits Modelle des Darms, der Lunge, des Gebisses und sogar des neuromuskulären Schaltkreises.

Schlüsselbegriffe

uHeart, Chip, Herz, Herzschlag, Wirkstoffe, Medikamente, Tests, Beschleunigung, in-vitro

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