Biodigitaler Zwilling zur Erforschung sichererer Schwangerschaften
Europaweit ist bei Frühgeburten die überwiegende Mehrheit neonataler und fötaler Todesfälle zu verzeichnen. Ungeachtet des medizinischen Fortschritts steigt die Zahl der Frühgeburten mit zunehmendem Alter der Mütter und aufgrund wachsender Umweltrisiken(öffnet in neuem Fenster). Zu verstehen, wie sich Chemikalien und Arzneimittel auf den sich entwickelnden Fötus auswirken, gestaltet sich immer noch schwierig, da die frühe Schwangerschaft nicht direkt am Menschen untersucht werden kann. Obwohl die menschliche Plazenta bereits gut erforscht ist, bleibt die Modellierung ihres Transportverhaltens unter kontrollierten Laborbedingungen weiterhin eine Herausforderung. Tiermodelle spiegeln die Biologie der menschlichen Plazenta nur unzureichend wider und sind deshalb nicht dazu geeignet, die nachteiligen Auswirkungen einer Exposition gegenüber schädlichen Chemikalien und Wirkstoffen auf eine Schwangerschaft zuverlässig vorherzusagen.
Lücke in Erforschung der Schwangerschaftssicherheit schließen
Das Ziel des EU finanzierten Projekts LIFESAVER(öffnet in neuem Fenster) besteht darin, diese Beweislücke mithilfe der Entwicklung eines biodigitalen Zwillings zu schließen, der die Plazentaumgebung und die mütterlich-fötalen Interaktionen im Labor nachbildet. Mithilfe der Plattform fortgeschrittene In-vitro-Modelle mit Rechensimulationen kombiniert, um zu untersuchen, wie Substanzen die Plazentaschranke überwinden und möglicherweise die Entwicklung des Fötus beeinflussen. „Bei der Erforschung der Sicherheit der Schwangerschaft stehen wir vor einem einzigartigen Dilemma. In der Frühschwangerschaft können wir nicht direkt testen, und Tiermodelle spiegeln die Funktion der menschlichen Plazenta nicht wider. Das hinterlässt eine große Beweislücke“, erklärt Michael Gasik, wissenschaftlicher Leiter des LIFESAVER-Konsortiums. Den Vorstellungen des Projektteams zufolge werden schwangere Frauen und Föten geschützt, indem die wissenschaftlichen Erkenntnisse gewonnen werden, die für eine bessere Regulierung von Chemikalien und Pharmezeutika erforderlich sind. Langfristig könnte dies dazu beitragen, dass Schwangerschaften gesünder ablaufen, und die Risiken von Frühgeburten verringert werden, die mit lebenslangen Erkrankungen wie Infektionen, Diabetes, zerebralen Lähmungen und kognitiven Beeinträchtigungen verbunden sind.
Ein biodigitaler Zwilling der Plazenta
Das Team von LIFESAVER hat ein Hybridsystem entwickelt, bei dem Laborexperimente mit digitaler Modellierung verknüpft werden. Es wendete 3D-Biodruck und Gewebetechnik an, um funktionale Plazentagewebemodelle zu erstellen, die das biologische Verhalten der Schnittstelle zwischen Mutter und Fötus nachbilden. Das In-vitro-System basiert auf einer Zweikreis-Mikrofluidikplattform(öffnet in neuem Fenster), mit der der mütterliche und der fötale Kreislauf, getrennt durch eine Barriereschicht, nachgeahmt wird. Diese Anordnung ermöglicht eine präzise Steuerung der Strömungsverhältnisse, die automatische Zugabe chemischer Verbindungen und die zeitgesteuerte Probenahme der transportierten Substanzen. Sie gestattet zudem die Untersuchung der Transportkinetik als zeitabhängigen Prozess. Die aufgezeichneten Daten werden dann mit Rechensimulationen verknüpft, mit denen die Transportprozesse durch die Plazentaschranke hindurch modelliert werden. „Mit einem biodigitalen Zwilling können wir den mütterlichen und fötalen Kreislauf unter kontrollierten Bedingungen nachbilden und experimentelle Daten mit digitaler Modellierung kombinieren. Dank dieser Integration ist der Ansatz derart leistungsfähig“, betont Gasik.
Sicherere Chemikalien und Arzneimittel im Blick
Die Laborvalidierung bestätigte den stabilen Betrieb der Zweikreisplattform sowie die reproduzierbare Handhabung der Testverbindungen. Dem Machbarkeitsnachweis dienende Transportexperimente demonstrierten ein Verhalten, das mit der erwarteten Durchlässigkeit der Membranbarriere übereinstimmt. „Das wichtigste Ergebnis ist, dass wir den Transport unter kontrollierten und reproduzierbaren Strömungsbedingungen quantifizieren können. Das ist die Grundvoraussetzung einer realistischen Modellierung der mütterlich-fötalen Exposition“, hebt Gasik hervor. Darüber hinaus bereiteten die Forscherinnen und Forscher politische Empfehlungen vor und suchten den Kontakt zu Interessengruppen, um zu prüfen, wie Plattformen dieser Art neue Ansätze für die Sicherheitsbewertung von Chemikalien und Arzneimitteln unterstützen könnten. Sie könnten dazu beitragen, die Abhängigkeit von Tierversuchen zu verringern und mehr für den Menschen relevante Erkenntnisse zur Erforschung der Schwangerschaftssicherheit zu liefern. Außerdem können sie die zukünftigen politischen Bemühungen Europas zum Schutz der Gesundheit von Müttern und Föten unterstützen.