Kompendium 2023 Forschung & Klinik

Forschung
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das die Signale der nativen Gewebe genau widerspiegelt. Lab-on-a-Chipund
Joint-on-a-Chip-Technologien bieten präzise Alternativen zu Tiermodellen
in der orthopädischen Forschung. Diese mikrofluidischen Plattformen
replizieren die Bedingungen spezifischer Gelenke oder Gewebe und ermöglichen
eine kontrollierte Umgebung für physiko-chemische Gradienten,
mechanische Belastung und Flüssigkeitsdynamik. Joint-on-a-Chip-Modelle
unterstützen die Untersuchung von Osteoarthritis und die Überprüfung
potenzieller Therapeutika unter menschenähnlichen Bedingungen. Lab-ona-Chip-Geräte
simulieren muskuloskelettale Gewebe, bieten Hochdurchsatz-Drug-Testing
und personalisierte Behandlungen. Diese Technologien
versprechen, die orthopädische Forschung zu revolutionieren, die Abhängigkeit
von Tierversuchen zu verringern und die Entdeckung neuer Therapien zu
beschleunigen.
Tierfreie Methoden als ergänzende Werkzeuge zu Tierversuchen
Mikrophysiologische Systeme, auch Organe-auf-dem-Chip genannt, sind
die fortschrittlichsten Techniken zur Modellierung von 3D-Gewebe in vitro
und werden zunehmend erschwinglich. Seit 2019 konzentriert sich der Bioingenieur
Mario Rothbauer im „Karl Chiari Labor für Orthopädische Biologie“
(KCLOB) auf die Gewebemodellierung mit mikrofluidischen Biochips. Sein
Team entwickelt organotypische Mikrosysteme als dreidimensionale Krankheitsmodelle
für Forschung und Medikamentenscreening. Als Vizepräsident
der Europäischen Gesellschaft für Alternativen zu Tierversuchen (EUSAAT)
setzt er auf tierfreie Methoden als Ergänzung zu Tierversuchen.
Priv.-Doz. Dr. nat. techn. Mario Rothbauer, MSc
Der Autor
Mario Rothbauer ist derzeit
stellvertretender Leiter
des „Karl Chiari Labors für
Orthopädische Biologie“ und
Hauptuntersuchungsleiter der
Gruppe „Orthopädische Mikrosysteme“,
die sich auf das Bioengineering
von Krankheitsmodellen
des Menschen mit
Organ- und Lab-on-a-Chip-
Technologien spezialisiert hat.
Er besitzt einen Doktortitel in
Biotechnologie von der BOKU
und ist im chirurgischen Fachbereich
„Biomedizinische Forschung“
an der Medizinischen
Universität Wien habilitiert.
Der Cluster „Musculoskeletal Tissue Models & 3Rs Research“ strebt an, menschenrelevante
Ansätze zur Modellierung von Muskel-Skelett-Erkrankungen,
Medikamentenscreening in vitro und Präzisionsmedizin ohne präklinische
Tiermodelle zu verbessern. Forscher der Tschechischen Akademie der
Wissenschaften und des KCLOB entwickelten eine mikrofluidische Plattform,
die Mikropfeiler und Mikrowannen kombiniert, um die Osteoblastendifferenzierung
in 3D-Knochenkulturen zu verbessern. Ihr Gerät schafft eine physiologisch
genaue Umgebung, steigert Mineralisierung und Zellviabilität und
zeigt Potenzial für biomedizinische Forschung und Medikamenten screening.
Die Plattform ermöglicht die dynamische Kultivierung von 3D-Knochen-
Sphäroiden, verbessert Osteoblastendifferenzierung und Knochenreifung
durch Flüssigkeitsfluss zur biomechanischen Stimulation. Mikropfeiler
schaffen eine Umgebung, die trabekulärem Knochen ähnelt. Die Studie zeigte,
dass tierische und menschliche Knochensphäroide unter dynamischen
Bedingungen eine höhere Expression osteogener Marker und verbesserte
Viabilität aufwiesen. Die Plattform eignet sich zur Erforschung der Knochenbiologie,
zum Medikamententesten und zur Krankheitsmodellierung, indem
sie Mikrofluidik mit Multi-Sphäroid-Arrays kombiniert.
Literatur:
1
A progress report and roadmap for microphysiological systems and Organ-On-A-Chip technologies
to be more predictive models in human (Knee) osteoarthritis; M Rothbauer, EI Reihs, A Fischer, R
Windhager, F Jenner, S Toegel; Frontiers in Bioengineering and Biotechnology 10, 886360
2
„A Decade of Organs-on-a-Chip Emulating Human Physiology at the Microscale: A Critical Status,
Report on Progress in Toxicology and Pharmacology“ Micromachines 2021, 12 (5), 470, M Rothbauer,
BEM Bachmann, C Eilenberger, SRA Kratz, S Spitz, G Höll, and P Ertl.
3
Microfluidic device for enhancement and analysis of osteoblast differentiation in three-dimensional
cell cultures. M Killinger, A Kratochvilová, EI Reihs, E Matalová, K Klepárník, Mario Rothbauer;
Journal of Biological Engineering 17 (1), 77