Nerven- und Herzmuskelzellen für Medikamenten-Tests Stammzellen aus der Fabrik

Autor / Redakteur: Britta Widmann und Birgit Niesing / Silvano Böni

In dem Projekt «StemCellFactory» entwickelten Forscher eine Anlage, mit der sich Stammzellen automatisiert herstellen, vermehren und differenzieren lassen. Ziel ist es, Nerven- und Herzmuskelzellen für Medikamenten-Tests zu gewinnen.

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Der Roboter kann nicht nur Tubes, sondern auch Mikrotiterplatten greifen.
Der Roboter kann nicht nur Tubes, sondern auch Mikrotiterplatten greifen.
(Bild: Bildschoen/Fraunhofer)

Neue Medikamente zu entwickeln, ist aufwändig und teuer. Typischerweise bedarf es mehr als 13 Jahre intensiver Forschungsarbeit und bis zu 1,6 Milliarden US-Dollar, um eine Arznei mit innovativem Wirkstoff auf den Markt zu bringen. So die Angaben des Verbands Forschender Arzneimittelhersteller. Vor allem Wirkstoffe, die erst in der letzten Phase der klinischen Erprobung scheitern, treiben die Kosten in die Höhe. Ein Grund, warum mögliche Nebenwirkungen oder die nicht ausreichende Wirksamkeit so spät in der Entwicklung festgestellt werden, ist, dass die Wirkstoffe zunächst im Tierversuch oder an Zelllinien tierischen Ursprungs erprobt werden. Doch diese können die molekularen Mechanismen menschlicher Erkrankungen nicht richtig abbilden.

Um teure Fehlentwicklungen zu vermeiden, wollen Pharmahersteller potenzielle Wirkstoffe früher an menschlichen Zellen testen. Aus «induziert pluripotenten Stammzellen» (iPS-Zellen) lassen sich im Labor verschiedene Zelltypen erzeugen (siehe Kasten Stammzellen). Die iPS-Zellen gewinnt man aus adulten Körperzellen wie etwa Hautzellen des Menschen. Diese werden durch Zugabe bestimmter Substanzen in Stammzellen reprogrammiert und in ein embryonales Stadium zurückversetzt. Die so behandelten Zellen können theoretisch wieder in jeden Zelltyp umgewandelt werden. Man kann daraus sogar Herz- oder Nervenzellen erzeugen. Das ist auch für die personalisierte Medizin interessant. Denn diese Zellen lassen sich wegen der Risiken für den Patienten nicht mit einer Biopsie gewinnen.

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Vollautomatisierte, modulare Produktionsplattform

Bislang werden iPS-Zellen in einem langwierigen und aufwändigen Prozess von fachkundigen Laboranten gezüchtet. Dabei hängen die Menge und die Qualität der iPS-Zellen sehr von der Erfahrung des Laboranten ab. In dem Projekt StemCellFactory entwickelten Partner aus Forschung, Medizin und Industrie eine vollautomatische Produktionslinie, mit der sich iPS-Zellen in grossen Mengen bei gleichbleibend hoher Stammzell-Qualität herstellen lassen. Anschliessend werden die iPS-Zellen – ebenfalls automatisiert – in Patienten-spezifische Nerven- und Herzmuskelzellen ausdifferenziert. So eröffnet die StemCellFactory neue Möglichkeiten für das Wirkstoffscreening.

Um die neuartige Anlage entwickeln zu können, zerlegten die Experten zunächst alle biologischen Abläufe, die notwendig sind, um humane somatische Zellen zu reprogrammieren, zu vermehren und zu differenzieren, in maschinentaugliche Grundprozesse. Daraus leiteten sie dann die integrierten Abläufe ab.

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