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Aspergillus fumigatus

Studie: Lung-On-Chip-Modell ermöglicht verbesserte Untersuchung von Pilzinfektionen der menschlichen Lunge

Unsere Mitarbeiterin Dr. Mai Hoang war Teil eines Jenaer Forschungsteams, das die Auswirkungen von invasiver pulmonaler Aspergillose (IPA) untersucht. IPA ist eine Infektion der Lunge, die der weit verbreitete Schimmelpilz Aspergillus fumigatus auslöst. Besonders bei Menschen mit geschwächtem Immunsystem kann Aspergillose schwere Krankheitsverläufe verursachen. Bisher gibt es nur wenige Wirkstoffe, die diese Pilzinfektionen bekämpfen. Ziel des gemeinsamen Forschungsprojekts des Leipniz-Instituts für Naturstoff-Forschung und Infektionsbiologie (Hans-Knöll-Institut), Mitarbeitenden des Universitätsklinikums Jena und Dynamic42 war die Etablierung eines Infektionsmodells, das die Beobachtung des Wachstums des Schimmelpilzes ermöglicht. Zudem sollte die Reaktion des menschlichen Immunsystems abgebildet werden. Dadurch eröffnen sich Möglichkeiten zur Entwicklung neuer therapeutischer Ansätze. Kürzlich wurden die Ergebnisse des Forschungsteams, mit Dr. Mai Hoang als Erstautorin, in der renommierten Fachzeitschrift Biomaterials vorgestellt. Wir geben einen Überblick:

Infektionsmodell auf Biotech-Chip etabliert

Bei einer invasiven Aspergillose dringen die Pilzhyphen durch das Lungengewebe in die Blutgefäße ein und verbreiten sich von dort aus. Um mehr Einsicht in den Prozess in der Lunge zu bekommen, soll das Wachstum des Pilzes unter dem Mikroskop beobachtbar und quantifizierbar gemacht werden. Dafür nutzte das Forschungsteam das auf den Biotech-Chips von Dynamic42 etablierte Lung-on-Chip-Modell, das wir gemeinsam mit dem Universitätsklinikum Jena entwickelt haben. Das Lungenmodell besteht aus zwei Kompartimenten, die durch eine künstliche, durchlässige Membran getrennt sind. Das Lungenkompartiment beinhaltet Oberflächenzellen der Lunge, die Lungenbläschen, welche an der Luft kultiviert werden, und das vaskuläre Kompartiment beinhaltet Blutgefäßzellen, die durch eine blutähnliche Nährlösung versorgt werden. Das Lungenmodell wird dem Pilz ausgesetzt, wodurch eine Infektion simuliert wird und man ein Infektionsmodell erhält. Die Etablierung dieses sogenannten „Invasive-Aspergillosis-On-Chip“-Modells (IAC) ist die Grundlage für weitere Untersuchungen wie z.B. der Interaktion von Aspergillus fumigatus mit dem menschlichen Immunsystem.

Sichere Wirkstofftestung ohne Tierversuche

Das IAC-Modell bietet deutliche Vorteile gegenüber den bisherigen Untersuchungen mit Hilfe von Tierversuchen. Die in vivo Modelle zur Untersuchung von Aspergillose, wie z.B. die Infektion von Mäusen, sind aufgrund der physiologischen Unterschiede der Lunge des Menschen und der Maus nicht ausreichend aussagekräftig. Durch den Einsatz von Organ-on-Chip-Infektionsmodellen werden in vivo Konditionen nachgestellt und gleichzeitig deutlich mehr Aspekte der Wirkung von Aspergillus fumigatus beim Menschen nachverfolgt. Das neuartige IAC-Modell eignet sich so zur Testung von medizinischen Wirkstoffen in klinisch relevanten Konzentrationen. Das Forschungsteam untersuchte mit dem IAC-Modell als Medium, wie bestimmte Antipilz-Medikamente nach einer Infektion anschlagen bzw. wie sie die Ausbreitung des Pilzes hemmen. In nachgestellten in vivo Szenarien wurde eine invasive Aspergillosis herbeigeführt. Zwei der getesteten Medikamente verhinderten eine starke Ausbreitung des Pilzes, während bei Versuchen ohne den Zusatz der Substanzen ein verstärktes Wachstum festgestellt wurde.

Fazit

Die Arbeit von Dr. Mai Hoang und dem gesamten Team zeigt, wie effektiv unsere Organ-on-Chip-Modelle für die Infektionsforschung genutzt und zu Infektionsmodellen weiterentwickelt werden können. Nicht nur, dass dadurch Tierversuche drastisch reduziert werden: Durch die Nachbildung der Infektionsmodelle auf den menschlichen „Mini-Organen“ sind die nötigen Versuche zur Medikamententestung realitätsnäher und ermöglichen eine sichere Entwicklung neuer Behandlungsmöglichkeiten.

Quellen