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Toxizitätstests an Plazenta und Embryo

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Arzneimittel müssen nicht nur für die Patienten sicher sein, sondern im Falle schwangerer Patientinnen auch für die ungeborenen Kinder im Mutterleib. Deshalb werden in einem frühen Stadium der Entwicklung neuer Medikamente die Wirkstoffkandidaten in der Petrischale an embryonalen Stammzellen aus Mauszelllinien getestet.

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Damit soll vermieden werden, dass eine embryoschädigende Wirkung erst später bei Tests mit trächtigen Mäusen festgestellt wird. Diese Zellkulturtests sind jedoch eine stark vereinfachte Version dessen, was in der Gebärmutter stattfindet. Die Forscher geben das Testmaterial einfach zu einer Kultur von embryonalen Stammzellen in einer Petrischale und können so Substanzen identifizieren, die eine direkte schädliche Wirkung auf die embryonalen Zellen haben.

Im Körper einer schwangeren Frau hingegen können pharmazeutische Wirkstoffe durch den Stoffwechsel der Mutter verändert werden und über die Plazenta in den Blutkreislauf des Embryos gelangen. Darüber hinaus können mit Standard-Zellkulturtests keine Substanzen nachgewiesen werden, die indirekte Auswirkungen auf den Embryo haben, indem sie beispielsweise die Funktion der Plazenta beeinträchtigen oder Stressreaktionen auslösen.

Forschende des Departements für Biosysteme der ETH Zürich in Basel haben nun einen Labortest entwickelt, der die Rolle der Plazenta in die Bewertung der Embryotoxizität einbezieht. Dazu haben Julia Boos, Doktorandin in der Gruppe von ETH-Professor Andreas Hierlemann, und ihre Kollegen einen neuen Chip entwickelt. Dieser Chip enthält mehrere Kammern, die alle durch Miniaturkanäle miteinander verbunden sind. Auf diesem Chip kombinierten die Wissenschaftler menschliche Plazentazellen, die aus Zelllinien entnommen wurden, mit Mikrogewebe-Sphäroiden, die aus embryonalen Stammzelllinien von Mäusen stammen, den so genannten "embryoid bodies", welche die frühe Entwicklung des Embryos widerspiegeln. Die Testsubstanzen treffen zunächst auf eine Schicht von Plazentazellen, die sie passieren müssen, bevor sie die embryonalen Zellen erreichen, wodurch die Situation in der Gebärmutter nachgebildet wird.

Übrigens entstehen bei diesen Versuchen keine lebensfähigen Embryonen. Die embryonalen Zellen aus Zelllinien durchlaufen nur die allerersten Schritte der embryonalen Entwicklung über einen Zeitraum von zehn Tagen.

Um die Funktionsweise des neuen Tests zu demonstrieren, verwendeten die Forscher Mikropartikel, die die embryonalen Körper bei direktem Kontakt nicht schädigen. Bei dem neuen Test, der auch Plazentazellen umfasst, beobachteten die Wissenschaftler jedoch eine mögliche indirekte Beeinträchtigung. Obwohl die Plazentazellen die Mikropartikel zurückhalten konnten, so dass die Partikel nicht zu den embryonalen Zellen durchdrangen, zeigten die Plazentazellen eine nachweisbare Stressreaktion.

Nun möchten die Forscher ihr System im Hinblick auf geeignetere Kunststoffmaterialien weiterentwickeln. Denkbar ist auch, in Zukunft statt Mäusezellen menschliche Stammzelllinien zur Bildung von Embryoidkörpern zu verwenden. "Es gibt erhebliche Unterschiede zwischen Labortieren und Menschen, vor allem was die Embryonalentwicklung und die Vorgänge in der Plazenta angeht", sagt Boos und fährt fort: "Von allen Organen ist die Plazenta dasjenige, in dem die Unterschiede zwischen den Spezies am stärksten ausgeprägt sind."

Ziel der Gruppe ist es, einen neuen Test zu entwickeln, der auch für die pharmazeutische Industrie einfach zu handhaben ist. Wenn man in der Lage ist, Substanzen, die für den Embryo schädlich sind, in einem frühen Stadium der Arzneimittelentwicklung zu erkennen - und zu eliminieren -, bedeutet dies, dass weniger Substanzen später in In-vivo-Studien an Tieren getestet werden müssen.