Jedes Jahr werden weltweit über 100 Millionen Tiere in Laborexperimenten verwendet science.rspca.org.uk. Doch trotz dieses Ausmaßes an Tierversuchen scheitern etwa 90 % der Arzneimittelkandidaten, die bei Tieren vielversprechend erscheinen, in klinischen Studien am Menschen cen.acs.org. Hier kommt die Organ-on-a-Chip-Technologie ins Spiel – eine hochmoderne Alternative, die darauf abzielt, menschliche Organe auf Mikrochips nachzubilden und die Arzneimittelprüfung drastisch zu verbessern, ohne Labortiere zu benötigen. Diese winzigen Geräte, die mit lebenden menschlichen Zellen ausgekleidet sind, können die wichtigsten Funktionen von Herzen, Lungen, Lebern und mehr nachbilden und bieten eine testplattform, die näher am Menschen ist. Regulierungsbehörden und Wissenschaftler werden aufmerksam: Neue Gesetze und Richtlinien fördern tierversuchsfreie Methoden, Unternehmen wetteifern um die Entwicklung von Organ-on-a-Chip-Systemen, und Experten preisen diesen Ansatz als möglichen Game-Changer für Medizin und Tierschutz. In diesem Bericht erklären wir, was Organ-on-a-Chip-Technologie ist, wie sie funktioniert, aktuelle wissenschaftliche Durchbrüche, ihre Vorteile gegenüber herkömmlichen Tierversuchen, die bevorstehenden Herausforderungen, globale regulatorische Entwicklungen, Aktivitäten der Industrie und die ethischen Implikationen einer Zukunft mit tierversuchsfreier Arzneimittelprüfung.
Was ist Organ-on-a-Chip-Technologie und wie funktioniert sie?
Ein Organ-on-a-Chip (OOC) ist ein Miniaturgerät, oft etwa so groß wie ein USB-Stick oder Objektträger, das winzige Hohlkanäle enthält, die mit lebenden menschlichen Zellen ausgekleidet sind, um die Funktionen eines echten Organs zu simulieren cen.acs.org, clarivate.com. Im Wesentlichen platzieren Forscher menschliche Zellen (zum Beispiel Lungenzellen, Leberzellen, Gehirnzellen usw.) in eine mikrostrukturierte Kammer, die eine 3D-Umgebung ähnlich dem menschlichen Körper bietet. Diese Kammern sind Teil eines mikrofluidischen Netzwerks – winzige Kanäle, durch die kontinuierlich Nährstoffe, Sauerstoff und biochemische Signale fließen, ähnlich wie Blut durch Gefäße nist.gov. Der Mikrochip kann auch mechanische Kräfte einbeziehen, um Organbewegungen zu imitieren: Zum Beispiel kann ein Lungen-on-a-Chip die Zellmembran rhythmisch dehnen und entspannen, um Atembewegungen zu simulieren gao.gov.
Organ-on-a-Chip-Geräte sind keine elektronischen Siliziumchips, sondern klare flexible Polymere, auf denen Zellen wachsen und interagieren können. Sie schaffen eine „miniaturisierte physiologische Umgebung“ für Zellen, was bedeutet, dass die Zellen Bedingungen (Fluss von Flüssigkeiten, Nährstoffe, mechanische Belastung) erfahren, die denen in einem echten menschlichen Organ ähneln nist.gov. Da mehrere Zelltypen einbezogen werden können, kann ein Organ-Chip komplexe Gewebeschnittstellen nachbilden. Ein Lungen-Chip könnte zum Beispiel eine alveolare Zellschicht auf einer Seite einer porösen Membran und Kapillarblutzellen auf der anderen Seite haben, sodass eine Interaktion wie in einer echten Lunge möglich ist. Ein Leber-on-a-Chip könnte Hepatozyten (Leberzellen) zusammen mit unterstützenden Endothelzellen und Immunzellen (Kupffer-Zellen) enthalten, um die Mikroarchitektur der Leber nachzuahmen clarivate.com. Diese Chips werden in Inkubatoren am Leben gehalten, und Sensoren oder Mikroskope können in Echtzeit überwachen, wie das „Mini-Organ“ auf Medikamente, Chemikalien oder Krankheitsbedingungen reagiert.
Indem sie die Mikro-Umgebung eines menschlichen Organs nachahmen, ermöglichen Organ-Chips Forschern, menschliche Zellreaktionen direkt zu beobachten, ohne einen lebenden Menschen oder ein Tier zu gefährden nist.gov. In der Praxis dienen sie als Brücke zwischen herkömmlichen in vitro-Tests (Zellen in einer Schale) und in vivo-Tests (Tiere) und bieten ein kontrolliertes, auf den Menschen bezogenes Testsystem. „Es heißt Organ-on-a-Chip, und es beinhaltet das Wachstum von echtem Gewebe eines menschlichen Organs auf einer kleinen Struktur, die das nachahmt, was dieses Organ-Gewebe im Körper erfahren würde“, erklärt ein Bericht des US National Institute of Standards and Technology nist.gov. Die Hoffnung ist, dass diese Chips genauer vorhersagen, wie ein Medikament menschliche Organe beeinflusst, als es Tiermodelle tun. Wissenschaftler haben bereits Chips für viele einzelne Organe gebaut – Lunge, Leber, Herz, Niere, Darm, Gehirn, Haut und mehr – wobei jeder die wichtigsten Aspekte der Biologie dieses Organs einfängt clarivate.com.
Bemerkenswert ist, dass Forscher auch mehrere Organ-Chips miteinander kombinieren, um größere Teile der menschlichen Physiologie zu simulieren. Diese Multi-Organ-„Body-on-a-Chip“-Systeme verbinden den mikrofluidischen Blutfluss mehrerer Organkompartimente, sodass der Output eines Chips (z. B. der Leberstoffwechsel eines Medikaments) in den Input eines anderen Chips (z. B. Wirkung auf Herz oder Niere) eingespeist wird gao.gov. In einer bahnbrechenden Demonstration verband ein Team der Columbia University vier menschliche Organgewebe (Herz, Leber, Knochen und Haut) auf einem einzigen Chip mit einer zirkulierenden, blutähnlichen Flüssigkeit und Immunzellen und schuf so effektiv ein miniaturisiertes Modell der menschlichen Physiologie engineering.columbia.edu. Das gesamte Gerät war nur etwa so groß wie ein Objektträger, hielt jedoch die Gewebe wochenlang am Leben und ermöglichte deren Kommunikation – ein bedeutender Schritt zur Modellierung komplexer, systemischer Krankheiten außerhalb des Körpers. „Das ist ein riesiger Erfolg für uns… endlich haben wir diese Plattform entwickelt, die die Biologie der Organinteraktionen im Körper erfolgreich abbildet“, sagte die Projektleiterin Professor Gordana Vunjak-Novakovic engineering.columbia.edu. Solche Fortschritte deuten auf eine Zukunft hin, in der ein „Human-on-a-Chip“ genutzt werden könnte, um zu testen, wie ein neues Medikament mehrere Organsysteme beeinflussen könnte, bevor überhaupt ein Mensch oder Tier damit in Kontakt kommt.
Jüngste Durchbrüche und wissenschaftliche Fortschritte
Die Organ-on-a-Chip-Technologie hat sich im letzten Jahrzehnt rasant vom Konzept zur Realität entwickelt, und in den letzten Jahren gab es bemerkenswerte Durchbrüche. Ein viel beachteter Fortschritt war die Entwicklung von Multi-Organ-Chips, wie oben erwähnt. Im Jahr 2022 berichteten Wissenschaftler über den ersten Plug-and-Play-Multi-Organ-Chip mit mehreren ausgereiften menschlichen Geweben, die durch einen Gefäßfluss miteinander verbunden sind engineering.columbia.edu. Dieses System ermöglichte es den verschiedenen Organ-Geweben, chemisch miteinander zu „kommunizieren“, so wie es auch in unserem Körper geschieht. Bedeutend ist, dass alle Gewebe aus denselben menschlichen Stammzellen stammten, was bedeutet, dass der Chip die Biologie eines bestimmten Patienten effektiv nachahmte – und damit den Weg für wirklich personalisiertes Medikamententesten in der Zukunft ebnete engineering.columbia.edu. Die Fähigkeit, die Funktionalität mehrerer Organe über Wochen auf einem Chip aufrechtzuerhalten, ist ein großer technischer Fortschritt; dafür waren innovative Lösungen nötig, um jedem Gewebe seine eigene optimale Umgebung zu bieten und dennoch den Austausch von Signalen über einen gemeinsamen „Blutkreislauf“ auf dem Chip zu ermöglichen engineering.columbia.edu. Dieser Fortschritt erregte Aufmerksamkeit, da er komplexe Krankheiten modellieren kann (wie Krebs, der sich über mehrere Organe ausbreitet, oder Herz-Leber-Wechselwirkungen bei Medikamenten), die mit Einzel-Organ-Chips allein nicht erfasst werden können.
Über die Multi-Organ-Integration hinaus haben Forscher die Fähigkeiten von Organ-on-a-Chip-Modellen auf andere Weise erweitert. Beispielsweise beinhalten neue Chip-Designs zunehmend Sensoren und Bildgebungstechniken, die eine kontinuierliche Überwachung der Gewebereaktionen (wie elektrische Aktivität von Herzzellen oder Sauerstoffgehalt in einem Lungenchip) in Echtzeit ermöglichen. Es gibt auch Bestrebungen, künstliche Intelligenz (KI) und Computermodelle mit Organ-Chips zu integrieren. KI-Algorithmen können helfen, vorausschauendere Experimente zu entwerfen und die komplexen Daten zu analysieren, die Organ-Chips erzeugen clarivate.com. Ein aktueller Artikel stellt fest, dass Fortschritte in der KI das Design von Organ-on-a-Chip-Experimenten und die Dateninterpretation verbessern, was darauf hindeutet, dass intelligente Algorithmen die Nutzung dieser Chips zur genaueren Vorhersage von Medikamentenwirkungen optimieren könnten clarivate.com.
Wissenschaftler erforschen außerdem 3D-Bioprinting-Techniken, um Organ-on-a-Chip-Systeme mit noch größerem Realismus herzustellen blogs.rsc.org. Bioprinting kann dreidimensionale Gewebestrukturen erzeugen (wie Miniaturtumore oder Herzmuskelstücke), die dann in Chips eingesetzt werden und so die Stärken des Tissue Engineerings mit der Mikrofluidik kombinieren. Inzwischen laufen Bemühungen, eine Standardisierung in diesem aufstrebenden Bereich zu erreichen, damit Ergebnisse zwischen Laboren vergleichbar sind. Anfang 2024 veröffentlichte eine von NIST geleitete Arbeitsgruppe Richtlinien zur Standardisierung von Organ-on-a-Chip-Designs und -Messungen und stellte fest, dass viele Gruppen unterschiedliche Protokolle und sogar Terminologien verwendeten, was den Vergleich von Ergebnissen erschwerte nist.gov. Durch die Einführung gemeinsamer Standards und bewährter Verfahren will die Community die Entwicklung beschleunigen und sicherstellen, dass Organ-on-a-Chip-Daten robust genug für den breiten Einsatz sind.
Entscheidend ist, dass Organ-on-a-Chip-Systeme nicht nur Labor-Kuriositäten sind – sie liefern bereits wissenschaftliche Erkenntnisse und übertreffen in manchen Fällen ältere Modelle. So haben Studien gezeigt, dass Organ-Chips menschenspezifische Arzneimittelreaktionen nachbilden können, die in Tierversuchen übersehen wurden. In einer Studie sagte ein Niere-auf-einem-Chip korrekt die Nierentoxizität eines Medikaments voraus, das in Tierversuchen als sicher galt, später aber beim Menschen Schäden verursachte clarivate.com. Ein anderes Team, das ein Blutgefäß-auf-einem-Chip verwendete, konnte die Neigung eines bestimmten Antikörpermedikaments erkennen, gefährliche Blutgerinnsel zu verursachen – eine Nebenwirkung, die erst in Humanstudien und nicht in Tierversuchen auftrat, aber vom Chip-Modell erfolgreich nachgebildet wurde clarivate.com. Solche Durchbrüche liefern den Machbarkeitsnachweis, dass Organ-Chips Arzneimittelwirkungen aufdecken können, die mit traditionellen Methoden übersehen werden. Forscher haben Organ-on-a-Chip-Modelle für Krankheiten entwickelt, die von Lungeninfektionen bis zu Alzheimer und Krebs reichen, und ermöglichen so Experimente an menschlichen Gewebe-Analoga dieser Erkrankungen. Als Beispiel werden Gehirn-Organoid-Chips (manchmal auch „Mini-Gehirne auf Chips“ genannt) zur Untersuchung der neurologischen Arzneimittelsicherheit eingesetzt: Eine pharmakologische Studie zeigte, dass ein menschliches Mini-Gehirn-Modell zuverlässig neurotoxische Nebenwirkungen von Dutzenden bekannter Medikamente erkennen konnte cen.acs.org. Die rasanten Fortschritte bei solchen mikrophysiologischen Systemen geben Wissenschaftlern neue Werkzeuge an die Hand, um die Biologie zu erforschen und Behandlungen zu testen, wie es vor wenigen Jahren noch nicht möglich war.
Vorteile gegenüber herkömmlichen Tierversuchen
Die Organ-on-a-Chip-Technologie bietet enorme Vorteile gegenüber herkömmlichen Tierversuchen und adressiert viele der Einschränkungen und Bedenken, die die tierbasierte Forschung seit langem plagen. An erster Stelle steht das Thema menschliche Relevanz. Da Organ-Chips tatsächliche menschliche Zellen verwenden und Aspekte der menschlichen Organfunktion nachbilden, sind ihre Ergebnisse oft direkter auf menschliche Patienten übertragbar. Im Gegensatz dazu können selbst die besten Tiermodelle in entscheidenden Punkten vom Menschen abweichen. Medikamente, die bei Mäusen wirken, versagen beim Menschen häufig, und gefährliche Nebenwirkungen treten bei Tieren aufgrund von Unterschieden zwischen den Arten möglicherweise nicht auf. Tatsächlich scheitern etwa 9 von 10 Arzneimittelkandidaten, die Tierversuche bestehen, letztlich in klinischen Studien am Menschen aus Gründen der Sicherheit oder Wirksamkeit cen.acs.org. Diese hohe Ausfallrate ist ein deutlicher Hinweis darauf, dass Tiermodelle unvollkommene Stellvertreter für die menschliche Biologie sind. „Das menschliche Gehirn ist unglaublich komplex… Tiere haben einfach kein Gehirn, das dem des Menschen auch nur annähernd ähnelt“, bemerkt Alif Saleh, CEO eines Organoid-on-Chip-Unternehmens. „Die Vorstellung, dass ein Mäuse- oder Rattengehirn… vorhersagen kann, wie ein menschliches Gehirn auf ein bestimmtes Medikament reagieren würde – das ist nicht glaubwürdig“ cen.acs.org. Durch Tests an menschlichen Geweben in Organ-Chips können Forscher Ergebnisse erhalten, die besser vorhersagen, was bei tatsächlichen Patienten passieren wird, insbesondere bei komplexen, menschenspezifischen Organen wie dem Gehirn.
Diese menschenrelevanten Erkenntnisse haben reale Auswirkungen auf die Arzneimittelsicherheit. Organ-Chips haben bereits gezeigt, dass sie toxische Effekte erkennen können, die bei Tieren übersehen wurden. So konnte beispielsweise eine Studie mit einer menschlichen Leber-auf-einem-Chip 87 % der bekannten Medikamente identifizieren, die beim Menschen Leberschäden verursachen cen.acs.org, was die Ergebnisse von Tierversuchen deutlich übertrifft. Chips können auch patientenspezifische Zellen (wie induzierte pluripotente Stammzellen eines kranken Patienten) einbeziehen, sodass Arzneimittelreaktionen an Modellen getestet werden können, die genetische und krankheitsspezifische Besonderheiten tatsächlicher Patientengruppen widerspiegeln. Dies könnte das Risiko unerwarteter Nebenwirkungen verringern, wenn ein Medikament in klinische Studien eintritt.
Ein weiterer großer Vorteil ist Geschwindigkeit und Effizienz. Traditionelle Tierversuche zur Arzneimittelsicherheit können Jahre dauern und Millionen von Dollar pro Wirkstoff kosten theregreview.org. Die Haltung von Labortierkolonien, die Durchführung langwieriger Studien und die Auswertung der Ergebnisse sind ein langsamer und teurer Prozess. Organ-on-a-Chip-Systeme können, einmal eingerichtet, oft schneller Daten liefern und benötigen geringere Mengen eines Testarzneimittels. Automatisierte Auswertungen und Hochdurchsatz-Chip-Plattformen (mit vielen parallelen Mikro-Organ-Assays auf einer Platte) werden entwickelt, um Wirkstoffe deutlich schneller zu testen als mit Tieren. Während sich die Technologie noch weiterentwickelt, besteht die Hoffnung, dass eine Batterie von menschlichen Organ-Chips eines Tages monatelange Tierversuche durch schnellere In-vitro-Tests ersetzen könnte, was sowohl Zeit als auch Ressourcen in der Arzneimittelentwicklung spart. Eine von der FDA zitierte Studie zeigte, dass computergestützte Modelle menschlicher Herzmuskelzellen bestimmte kardiale Nebenwirkungen mit 89 % Genauigkeit vorhersagten, verglichen mit nur 75 % Genauigkeit bei Tierversuchen clarivate.com, was das Potenzial neuer Methoden unterstreicht, nicht nur schneller, sondern auch genauer zu sein als der tierische „Goldstandard“. Mit der weiteren Verbesserung dieser Organ-on-a-Chip-Modelle könnten sie die teuren späten Ausfälle von Arzneimitteln erheblich reduzieren, indem sie problematische Wirkstoffe frühzeitig im Entwicklungsprozess identifizieren.
Aus ethischer und gesellschaftlicher Sicht ist die Reduzierung des Tierverbrauchs an sich schon ein bedeutender Vorteil. Jedes Jahr werden unzählige Ratten, Mäuse, Hunde, Primaten und andere Tiere in Laboren geopfert und erleben dabei oft Schmerzen oder Stress theregreview.org, science.rspca.org.uk. Wenn auch nur ein Teil dieser Tests durch Organ-on-a-Chip-Studien ersetzt wird, bedeutet das weniger leidende Lebewesen. Dies entspricht dem langjährigen „3R“-Prinzip in der Wissenschaft (Replacement, Reduction, Refinement of animal use) clarivate.com. Die Gesellschaft fordert zunehmend tierversuchsfreie Testmethoden – ein Trend, der sich im Konsumverhalten und in der Gesetzgebung widerspiegelt (zum Beispiel das EU-Verbot für an Tieren getestete Kosmetika und neue Gesetze, die Alternativen in der Arzneimittelprüfung fördern). Die Organ-on-a-Chip-Technologie geht direkt auf den ethischen Ruf nach Ersatz von Tierversuchen durch humane Alternativen ein, ohne Kompromisse bei der Sicherheit einzugehen. Tatsächlich verspricht sie eine Win-win-Situation: besseren Schutz für Menschen und für Tiere. Tierversuche sind zudem durch ethische Grenzen eingeschränkt, die für menschenähnliche Chips nicht gelten – Forscher können theoretisch Organ-Chips höheren Dosen oder riskanteren Szenarien aussetzen, was bei Tieren oder Menschen ethisch nie möglich wäre, und so potenziell Gefahren umfassender aufdecken.
Schließlich können Organ-Chips Aspekte der menschlichen Biologie erfassen, die Tierversuche oft nicht abbilden können. Sie ermöglichen die direkte Beobachtung menschlicher zellulärer Reaktionen unter dem Mikroskop oder über Sensoren – etwas, das im Körper eines lebenden Tieres nicht möglich ist. Forschende können beobachten, wie Immunzellen eine Blutgefäßwand des Chips durchqueren, oder die Freisetzung von Entzündungssignalen aus Lungenzellen in Echtzeit messen, wenn diese einem Toxin ausgesetzt werden. Dieses Detailniveau hilft, die Mechanismen von Arzneimittelwirkungen und Krankheiten zu verstehen und liefert reichhaltigere Daten als die groben Endpunkte vieler Tierversuche. Darüber hinaus können Organ-Chips so konstruiert werden, dass sie verschiedene menschliche Populationen repräsentieren, indem Zellen von unterschiedlichen Spendern verwendet werden – einschließlich solcher mit bestimmten genetischen Hintergründen oder Krankheiten. Damit wird das Problem adressiert, dass Tiermodelle die genetische Vielfalt des Menschen nicht widerspiegeln. All diese Vorteile deuten darauf hin, dass Organ-on-a-Chip-Systeme, wenn sie weiterentwickelt werden, nicht nur die Abhängigkeit von Tieren verringern, sondern auch eine neue Ära von vorhersagbareren, humaneren und aussagekräftigeren Arzneimitteltests einläuten können.
Einschränkungen und Herausforderungen
Trotz ihres vielversprechenden Potenzials steht die Organ-on-a-Chip-Technologie noch vor erheblichen Herausforderungen und Einschränkungen, die überwunden werden müssen, damit sie ihr Versprechen vollständig einlösen kann. Eine unmittelbare Herausforderung besteht darin, dass Organ-Chips heute Tierversuche im Zulassungsprozess für Medikamente noch nicht vollständig ersetzen können gao.gov. Sie werden in der Regel zusammen mit Tieren und anderen Methoden eingesetzt, nicht an deren Stelle. Dafür gibt es mehrere Gründe. Zum einen ist die menschliche Biologie außerordentlich komplex – einen ganzen lebenden Organismus auf einem Chip nachzubilden, ist weitaus komplizierter als ein oder zwei Organe isoliert zu modellieren. Die meisten aktuellen Organ-Chips konzentrieren sich auf ein einzelnes Organ oder ein kleines Netzwerk von Geweben. Sie verfügen nicht über die vollständigen systemischen Interaktionen, die in einem Organismus mit ganzem Körper vorhanden sind (zum Beispiel hormonelle Regulation zwischen Organen oder das Zusammenspiel des Gehirns mit anderen Systemen). Selbst die fortschrittlichsten Multi-Organ-Chips umfassen bislang nur eine Handvoll Organtypen, was zwar beeindruckend ist, aber dennoch nicht einer vollständigen Simulation des menschlichen Körpers entspricht. Wie eine aktuelle Übersicht feststellte, bleibt das vollständige Nachbilden der komplexen Interaktionen in einem lebenden Organismus eine außergewöhnlich schwierige Aufgabe, und daher könnte das Ende der Tierversuche, obwohl es in Zukunft realistisch erscheint, „langsam“ eintreten, bis diese Technologien diese Komplexität abbilden können clarivate.com.
Technische Herausforderungen sind ebenfalls erheblich. Die Entwicklung eines robusten, reproduzierbaren Organ-on-a-Chip ist nicht einfach – sie erfordert Fachwissen in Zellbiologie, Mikroengineering und Biomaterialien. Ein Problem, mit dem Forscher konfrontiert sind, ist die Beschaffung zuverlässiger menschlicher Zellen von hoher Qualität. Viele Organ-Chips verwenden Zellen, die aus Stammzellen oder Spendergewebe gewonnen werden, aber diese können variabel sein. Experten schätzen, dass nur etwa 10–20 % der gewonnenen menschlichen Zellen von ausreichend hoher Qualität für den Einsatz in Organ-on-a-Chip-Studien sind gao.gov. Zellen überleben möglicherweise nicht lange oder verhalten sich auf dem Chip nicht normal, insbesondere wenn sie aus unterschiedlichen Quellen stammen. Das erschwert die Gewährleistung von Konsistenz. Darüber hinaus fehlt es derzeit an Standardisierung in diesem Bereich. Verschiedene Labore und Unternehmen verwenden unterschiedliche Materialien, Kanaldesigns, Zelltypen und Auswertungsmethoden für ihre Chips nist.gov. Daher sind die Ergebnisse eines Organ-on-a-Chip-Modells möglicherweise nicht direkt mit denen eines anderen vergleichbar, selbst wenn sie nominell dasselbe Organ repräsentieren. Das Fehlen standardisierter Protokolle und Benchmarks behindert eine breitere Akzeptanz, da Pharmaunternehmen und Regulierungsbehörden Vertrauen in die Zuverlässigkeit und Wiederholbarkeit eines bestimmten Chip-Tests benötigen. Es gibt Bemühungen, dies zu adressieren: 2023 beispielsweise veranstalteten Wissenschaftler und Regulierungsbehörden Workshops, um Validierungskriterien für Organ-on-a-Chip-Methoden zu definieren und an einer Harmonisierung der Standards weltweit zu arbeiten ema.europa.eu, nist.gov. Die Festlegung von Referenz-Benchmarks (z. B. wie genau ein Leber-Chip bekannte Toxine vorhersagen muss) und die Qualifizierung von Chips für spezifische „Kontexte der Anwendung“ (wie ein Nieren-Chip zum Screening auf Nephrotoxizität) sind aktive Arbeitsbereiche.
Eine weitere Herausforderung ist die Skalierbarkeit und der Durchsatz. Während einige Chips bereits in großvolumigen Formaten hergestellt werden, sind viele Organ-on-a-Chip-Systeme nach wie vor im Wesentlichen handgefertigt in akademischen Laboren oder kleinen Start-ups. Sie in großem Maßstab mit gleichbleibender Qualität zu produzieren und viele Chips parallel für große Studien zu betreiben, ist nicht trivial. Die Technologie muss benutzerfreundlicher und industrialisierter werden, damit Pharmaunternehmen sie routinemäßig einsetzen können. Automatisierte Flüssigkeitshandhabung, Bildgebung und Datenanalyse für Chip-Experimente werden noch weiterentwickelt. Auch die Kosten können ein begrenzender Faktor sein: Derzeit ist die Einrichtung von Organ-on-a-Chip-Assays möglicherweise teurer und zeitaufwändiger als bestimmte einfachere Labortests. Das U.S. Government Accountability Office stellt fest, dass einige Organ-on-a-Chip-Forschungen mehr kosten und länger dauern als herkömmliche Tierversuche oder Zellkulturstudien, zumindest in diesen frühen Phasen gao.gov. Mit der Zeit könnten die Kosten durch bessere Herstellung und breitere Nutzung sinken, aber derzeit bedeuten Budgetbeschränkungen, dass Chips selektiv eingesetzt werden.
Dateninterpretation und Validierung stellen weitere Hürden dar. Regulierungsbehörden und Wissenschaftler in der Industrie müssen davon überzeugt werden, dass die Ergebnisse von Organ-on-a-Chip-Tests tatsächlich mit den Ergebnissen beim Menschen übereinstimmen. Dies erfordert umfangreiche Validierungsstudien, bei denen Chip-Vorhersagen mit echten klinischen Daten und mit Tierversuchen verglichen werden. Bislang sammelt das Fachgebiet noch diese Belege. Ein GAO-Bericht hob hervor, dass ein Mangel an gut dokumentierten Benchmarks und Validierungsstudien es Endanwendern erschwert, einzuschätzen, wie viel Vertrauen sie in die Ergebnisse eines bestimmten Organ-on-a-Chip-Systems setzen können gao.gov. Wenn zum Beispiel ein Leber-on-a-Chip anzeigt, dass ein Medikament sicher ist, wie sicher können wir dann sein, dass es beim Menschen keine Leberschäden verursacht? Um dieses Vertrauen aufzubauen, sind Zeit und mehrere Studien erforderlich. Unternehmen zögern zudem oft, Daten offen zu teilen – häufig aus Wettbewerbs- oder Patentschutzgründen –, was das gemeinsame Lernen verlangsamt gao.gov. Mehr Datenaustausch und Zusammenarbeit, etwa durch Konsortien oder öffentlich-private Partnerschaften, würden das Feld schneller voranbringen.
Schließlich gibt es regulatorische Unsicherheiten. Da Organ-on-a-Chip eine neuartige Technologie ist, machen sich viele Regulierungsbehörden erst mit ihr vertraut. Richtlinien zur Nutzung von Chip-Daten in Arzneimittelzulassungen werden erst jetzt entwickelt. Die FDA und andere Behörden haben sich historisch auf Tierdaten verlassen, und die Änderung dieser fest etablierten Praktiken erfordert sorgfältige Überlegungen. Anfang 2025 berichteten Experten, dass Regulierungsbehörden ein „geringeres Maß an Vertrautheit mit OOCs als mit anderen Methoden“ hätten und dass die Leitlinien der Behörden klarer sein könnten gao.gov. Das beginnt sich zu ändern (wie wir im nächsten Abschnitt besprechen werden), aber solange keine formalen Rahmenbedingungen geschaffen sind, könnten einige Arzneimittelentwickler zögern, stark in Organ-on-a-Chip-Systeme zu investieren, ohne zu wissen, wie die Behörden die Daten bewerten werden. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Organ-on-a-Chip-Systeme zwar enormes Potenzial haben, sie sind jedoch noch kein Allheilmittel. Es bestehen weiterhin erhebliche wissenschaftliche und praktische Herausforderungen, um sie robust, vertrauenswürdig und breit einsetzbar zu machen. Die Überwindung dieser Herausforderungen erfordert kontinuierliche Forschung und Entwicklung, Investitionen und eine enge Zusammenarbeit zwischen Wissenschaft, Industrie und Regulierungsbehörden – aber die Fortschritte sind bereits in vollem Gange.
Globale regulatorische Entwicklungen
Regulierungsbehörden auf der ganzen Welt erkennen das Potenzial von Organ-on-a-Chip und verwandten non-animal testing methods und haben begonnen, ihre Richtlinien zu aktualisieren, um diese Innovationen zu berücksichtigen und zu fördern. In den Vereinigten Staaten gab es eine bahnbrechende Veränderung mit der Verabschiedung des FDA Modernization Act 2.0 Ende 2022. Dieses parteiübergreifende Gesetz hob die jahrzehntealte Anforderung auf, dass alle neuen Arzneimittelkandidaten must an Tieren getestet werden müssen, bevor sie in klinische Studien am Menschen gelangen clarivate.com. Mit anderen Worten: Die US-amerikanische Food and Drug Administration (FDA) kann nun accept alternative preclinical testing data, einschließlich Daten aus In-vitro-Modellen wie Organ-on-a-Chip, anstelle der strikten Forderung nach Tierversuchen akzeptieren. Dies war ein großer Erfolg für Befürworter tierversuchsfreier Forschung, die lange argumentiert hatten, dass veraltete Vorschriften den Einsatz überlegener moderner Methoden verhinderten. Wie ein Sprecher der FDA anmerkte, kann die Behörde nun Medikamente für klinische Studien am Menschen auf Grundlage von „nichtklinischen Tests“ wie Organ-Chips, Organoiden, Computermodellen und anderen Ansätzen zulassen, anstatt sich ausschließlich auf Daten aus Tierversuchen zu stützen emulatebio.com, pubmed.ncbi.nlm.nih.gov. Allerdings ist die Verabschiedung eines Gesetzes nur der erste Schritt – die Umsetzung dieser Flexibilität in der Praxis ist ein schrittweiser Prozess.Schnellvorlauf ins Jahr 2025, und die FDA hat noch stärkere Unterstützung für den Ausstieg aus Tierversuchen signalisiert. Im April 2025 kündigte die FDA eine mutige Roadmap zum Ausstieg aus vielen Tierversuchen innerhalb der nächsten 3–5 Jahre an cen.acs.org. Die Behörde erklärte, ihr Ziel sei es, Tierversuche zur „Ausnahme statt zur Regel“ bei der Bewertung der Arzneimittelsicherheit zu machen, beginnend mit bestimmten Produktbereichen wie monoklonalen Antikörpermedikamenten und ausweitend auf alle Arzneimitteltypen cen.acs.org. Die FDA deutete sogar an, dass sie möglicherweise eine Fast-Track-Prüfung für Arzneimittelzulassungen anbieten könnte, die validierte alternative Methoden anstelle von Tieren verwenden cen.acs.org. Branchenbeobachter haben dies als einen Wendepunkt beschrieben. „Es fühlt sich wie ein entscheidender, historischer Moment an,“ sagte Dr. Tomasz Kostrzewski, Chief Scientific Officer von CN Bio, einem britischen Organ-on-Chip-Unternehmen, in Bezug auf den neuen Plan der FDA. „Dies ist der Punkt, an dem die FDA sagt: ‚Wir sind voll und ganz entschlossen, in einem 3–5-Jahres-Fenster voranzugehen und uns von Tierversuchen zu verabschieden.‘“ cen.acs.org. Dieser klare und gezielte Politikwechsel hat die Organ-on-Chip-Branche beflügelt – Unternehmen berichteten nach der Ankündigung der FDA von einem sofortigen Anstieg des Interesses seitens Investoren und Pharma-Kunden cen.acs.org.
Auf der anderen Seite des Atlantiks bewegt sich auch Europa darauf zu, Organ-on-a-Chip in den regulatorischen Rahmen zu integrieren. Im September 2021 verabschiedete das Europäische Parlament eine Resolution, in der ein EU-weiter Aktionsplan gefordert wird, um den Übergang zu Innovationen ohne den Einsatz von Tieren zu beschleunigen ema.europa.eu. Dieser politische Impuls hat die europäischen Regulierungsbehörden zum Handeln veranlasst. Die Europäische Arzneimittel-Agentur (EMA) hat eine eigene 3R-Arbeitsgruppe gegründet, die 2023 damit begonnen hat, mikrophysiologische Systeme (einschließlich Organ-on-Chip) für den regulatorischen Einsatz zu qualifizieren und zu validieren ema.europa.eu. Der Arbeitsplan der EMA sieht die Organisation von Workshops mit Industrie und Wissenschaft vor, die Definition von Akzeptanzkriterien für die Regulierung von Organ-on-Chip-Tests in bestimmten Kontexten (zum Beispiel die Verwendung eines Leber-Chips zur Bewertung der Arzneimitteltoxizität) und sogar die internationale Zusammenarbeit zur Harmonisierung dieser Kriterien ema.europa.eu. Tatsächlich haben Regulierungsbehörden aus den USA, Europa und anderen Regionen einen „weltweiten Cluster“ eingerichtet, um sich bei neuen Methoden abzustimmen und Wissen über deren Bewertung auszutauschen ema.europa.eu. Diese globale Harmonisierung ist wichtig – sie bedeutet, dass die Behörden miteinander sprechen, um sicherzustellen, dass beispielsweise eine vom FDA akzeptierte Testmethode auch von der EMA oder den japanischen Behörden akzeptiert werden könnte und umgekehrt.Europa hat alternative Testmethoden auch durch Institutionen wie das EU-Referenzlabor für Alternativen zu Tierversuchen (EURL ECVAM) unterstützt, das seit Jahren nicht-tierische Methoden erforscht und validiert clarivate.com. Der Schwung von politischer Seite (Europäisches Parlament) und wissenschaftlicher Seite (EMA und ECVAM) deutet darauf hin, dass Europa die Grundlagen dafür schafft, künftig Sicherheitsdaten von Organ-on-a-Chip-Modellen zuzulassen. Auch wenn bis 2025 noch keine große Regulierungsbehörde Tierversuche vollständig abgeschafft hat, geht die Entwicklung eindeutig in Richtung einer Zukunft, in der Organ-Chips und andere nicht-tierische Testsysteme eine zentrale Rolle bei Sicherheitsbewertungen spielen.
Konkrete Beispiele dafür, dass Regulierungsbehörden Organ-on-a-Chip akzeptieren, beginnen sich abzuzeichnen. Im Jahr 2024 hat das Biotechnologieunternehmen Argenx Daten aus einem MIMETAS Leber-on-a-Chip-Modell als Teil eines Antrags auf eine klinische Prüfung (Investigational New Drug, IND) bei der FDA eingereicht – Berichten zufolge eine der ersten Gelegenheiten, bei denen Organ-on-a-Chip-Daten eine offizielle Arzneimittelzulassung unterstützten mimetas.com. Die Organ-on-a-Chip-Tests halfen dabei, das Sicherheitsprofil des neuen Medikaments von Argenx in einem für den Menschen relevanten System zu demonstrieren, und dies wurde von den Regulierungsbehörden als ergänzender Nachweis akzeptiert. Der CEO von MIMETAS, Jos Joore, betonte die Bedeutung: „Indem wir fortschrittliche humane In-vitro-Modelle traditionellen Methoden wie 2D-Zellkultur und Tierversuchen vorziehen, können wir eine entscheidende Lücke auf dem Weg zu neuen Therapien schließen.“ mimetas.com Dieser Fall zeigt beispielhaft, wie regulatorische Änderungen (wie der FDA Modernization Act) in reale Anwendungen umgesetzt werden, wobei Unternehmen zuversichtlich genug sind, Organ-on-a-Chip-Ergebnisse in ihren Zulassungsunterlagen einzureichen.
In den kommenden Jahren können wir mit der Veröffentlichung weiterer formeller Leitlinien rechnen. Die FDA hat ihre Advancing Alternative Methods-Initiative, die Ressourcen und Fördermittel zur Entwicklung und Qualifizierung von Methoden wie Organ-on-a-Chip bereitstellt clarivate.com. Die EMA arbeitet, wie bereits erwähnt, an Leitfäden. Regulatorische Wissenschaftsbehörden finanzieren zudem Forschung, um Tierversuche direkt mit Organ-on-a-Chip-Ergebnissen zu vergleichen, um die für eine breitere Akzeptanz notwendige Evidenzbasis zu schaffen. Es ist erwähnenswert, dass die Regulierungsbehörden wahrscheinlich einen vorsichtigen Ansatz verfolgen werden: Der frühe Einsatz von Organ-on-a-Chip könnte als Ergänzung zu Tierdaten erfolgen (um zusätzliche Einblicke zu gewinnen oder die Anzahl benötigter Tiere zu reduzieren, anstatt sie vollständig zu ersetzen). Aber wenn diese Methoden weiterhin ihren Wert beweisen, ist es denkbar, dass für bestimmte Tests – z. B. Lebertoxizität oder Hautreizung – ein Organ-on-a-Chip zu einem offiziell anerkannten Ersatz für einen Tierversuch werden könnte. Der Kurs ist gesetzt: Weltweit verändert sich das regulatorische Umfeld, um innovative Arzneimitteltestmethoden zu begrüßen, die nicht auf Tieren basieren. Die 2020er Jahre entwickeln sich zu dem Jahrzehnt, in dem Organ-on-a-Chip vom Labortisch zu einem akzeptierten Bestandteil des Arzneimittelzulassungsprozesses wird.
Kommerzielle Akteure und Marktaktivität
Mit wachsender wissenschaftlicher Validierung und regulatorischer Unterstützung hat das Organ-on-a-Chip-Feld einen Anstieg an Aktivitäten von innovativen Start-ups, akademischen Ausgründungen und sogar etablierten Unternehmen erlebt. Eine kleine, aber schnell wachsende Branche hat sich um die Entwicklung und Lieferung dieser „Organ-on-Chip“-Plattformen an Pharma- und Forschungsorganisationen gebildet. Vielleicht der bekannteste Akteur ist Emulate, Inc., ein in Boston ansässiges Unternehmen, das aus dem Wyss Institute der Harvard University hervorgegangen ist (die Gruppe, die das Lungen-on-a-Chip entwickelt hat). Emulate produziert eine Reihe von Organ-Chips (Leber, Darm, Lunge, Gehirn usw.) und steht an der Spitze der Kommerzialisierung dieser Technologie. Laut dem CEO von Emulate ist das Interesse an ihren Organ-Chips in letzter Zeit sprunghaft angestiegen – nachdem die FDA ihren Plan angekündigt hatte, Tierversuche einzuschränken, erhielt Emulate „Anfragen von potenziellen Kunden“ und hörte sogar von Investoren, die bereit waren, mehr Geld in das Unternehmen zu investieren cen.acs.org. Das ist ein deutliches Zeichen dafür, dass der Markt erwartet, dass die Nachfrage nach Organ-on-Chip-Lösungen steigen wird, da die Pharmaindustrie ihre Entwicklungsstrategien anpasst.Emulate ist nicht allein; mehrere andere Unternehmen sorgen für Aufsehen. CN Bio, ein britisches Unternehmen, bietet Organ-on-Chip-Systeme an und hat eine Multi-Organ-Plattform entwickelt (oft als „mikrophysiologisches System“ bezeichnet), die die Leber mit anderen Organmodulen verbinden kann. CN Bio ist aktiv in Partnerschaften und veröffentlicht Validierungsstudien zu ihren Leber-Chips für Toxizitätstests. MIMETAS, mit Sitz in den Niederlanden, ist ein weiterer Marktführer – bekannt für seine OrganoPlate®-Technologie, bei der es sich im Wesentlichen um eine mikrofluidische Platte mit vielen Miniatur-Organmodellen für Hochdurchsatz-Screenings handelt. MIMETAS hat Kooperationen mit großen Pharmaunternehmen gesichert; so ging das Unternehmen 2023 eine strategische Partnerschaft mit Astellas Pharma ein, um Organ-on-Chip-Modelle für die Krebsmedikamentenforschung zu nutzen mimetas.com. Mimetas arbeitete außerdem mit dem Biotech-Unternehmen Argenx zusammen, wie erwähnt, und lieferte Organ-Chip-Daten für eine IND-Einreichung – ein Meilenstein, der die kommerzielle Relevanz seiner Plattform demonstriert mimetas.com.
In den Vereinigten Staaten konzentriert sich Hesperos, Inc. (ein in Florida ansässiges Start-up, mitbegründet vom Pionierforscher Michael Shuler) auf Multi-Organ-Systeme und bietet Testdienstleistungen mit seinen „Human-on-a-Chip“-Modellen an. Hesperos hat Berichten zufolge mit großen Pharmaunternehmen wie Sanofi, AstraZeneca und Apellis zusammengearbeitet, um Arzneimittelkandidaten hinsichtlich Sicherheit und Wirksamkeit mit seinen Multi-Organ-Chips zu testen cen.acs.org. Diese Partnerschaften mit namhaften Pharmaunternehmen zeigen, dass selbst große Firmen Organ-on-a-Chip-Daten neben traditionellen Studien auswerten. Ein weiteres bemerkenswertes US-Unternehmen ist AxoSim, das sich auf Nerven- und Gehirnmodelle (wie „Mini-Gehirne“ und Nerven-on-a-Chip-Plattformen) zur Untersuchung neurologischer Effekte spezialisiert hat; auch sie haben Biotech-Kunden angezogen, die an der Bewertung von Neurotoxizität ohne Tiermodelle interessiert sind cen.acs.org.Zum Organ-on-a-Chip-Sektor gehören auch Unternehmen wie TissUse (Deutschland), das eine „Multi-Organ-Bioreaktor“-Plattform anbietet, und Nortis (USA), bekannt für seine mikrofluidischen Gefäß-Chips. Sogar große Auftragsforschungsinstitute (CROs) wie Charles River Laboratories haben begonnen, in Organ-on-a-Chip-Technologie zu investieren oder Partnerschaften mit Organ-Chip-Unternehmen einzugehen criver.com (da sie erwarten, dass Kunden diese Tests nachfragen werden). Kurz gesagt, es entsteht ein Ökosystem aus Herstellern, Dienstleistern und Kooperationspartnern.
Die Marktentwicklung für Organ-on-a-Chip ist sehr vielversprechend. Auch wenn der Markt heute noch relativ klein ist, wächst er mit rasantem Tempo. Marktforschungsberichte schätzen, dass der globale Organ-on-a-Chip-Markt Anfang der 2020er Jahre nur etwa 150 Millionen US-Dollar umfasste, prognostizieren jedoch explosives Wachstum (30–40 % jährlich) in den kommenden Jahren grandviewresearch.com. Einige Prognosen erwarten, dass der Markt bis zum Ende dieses Jahrzehnts fast 1 Milliarde US-Dollar erreichen wird grandviewresearch.com, angetrieben durch die zunehmende Nutzung in der Arzneimittelentwicklung, Toxikologietests und akademischer Forschung. Dieses Wachstum wird nicht nur durch die Nachfrage der Pharmaindustrie, sondern auch durch staatliche Initiativen und Forschungsgelder gefördert, die darauf abzielen, Testmethoden zu verbessern. So haben beispielsweise Behörden wie das US-amerikanische NIH „Tissue Chip“-Programme zur Entwicklung von Organ-on-a-Chip-Modellen für Krankheiten finanziert und sogar einige dieser Chips zur Internationalen Raumstation geschickt, um Experimente in der Mikrogravitation durchzuführen (was das Anwendungsspektrum der Technologie erweitert).
Das Interesse von Investoren an Organ-on-a-Chip-Startups ist entsprechend gestiegen. Risikokapitalgeber und Unternehmensinvestoren sehen das Potenzial dieser Technologien, Teile des über 180 Milliarden Dollar schweren Marktes für präklinische Forschung zu revolutionieren. Emulate zum Beispiel hat erhebliche Finanzmittel eingeworben und Verträge abgeschlossen, um Chips für die Prüfung der Arzneimittelsicherheit bereitzustellen (eine Partnerschaft betraf Moderna, wobei Emulates Leber-on-a-Chip zur Überprüfung der Sicherheit von Lipid-Nanopartikeln verwendet wurde, die bei der mRNA-Impfstoffabgabe eingesetzt werden) cen.acs.org. Da Vorschriften zunehmend nicht-tierische Daten bevorzugen, könnten Pharmaunternehmen mehr Ressourcen in Organ-on-a-Chip-Tests investieren, um der Entwicklung voraus zu sein, was den Markt weiter ankurbelt.
Natürlich bringt jede Chance auch Konkurrenz und einige Wachstumsschmerzen mit sich. Unternehmen müssen nachweisen, dass ihre spezifischen Organ-on-a-Chip-Modelle zuverlässig und wissenschaftlich valide sind. Sie arbeiten oft eng mit Regulierungsbehörden zusammen, um ihre Geräte zu qualifizieren. Es gibt Berichte, dass kleinere Organ-on-a-Chip-Unternehmen vor Finanzierungsproblemen stehen, insbesondere wenn sie auf staatliche Aufträge angewiesen sind, die schwanken können cen.acs.org. Der allgemeine Trend ist jedoch, dass die kommerzielle Aktivität intensiver wird. In diesem Bereich kommt es auch zu einer Konvergenz der Disziplinen – Biotech-Firmen stellen Mikroingenieure, Softwareexperten und Biologen ein, um diese Produkte weiterzuentwickeln. Je mehr Erfolgsgeschichten entstehen (wie etwa ein mit Hilfe von Organ-on-a-Chip entwickeltes Medikament, das auf den Markt kommt), desto mehr wird das Geschäftsmodell für diese Technologie bestätigt. Zusammengefasst bewegt sich die Organ-on-a-Chip-Branche von einer Nischen- und Pionierphase in eine reifere Phase der Skalierung und Integration in die Mainstream-Arzneimittelentwicklung, unterstützt durch günstige regulatorische und gesellschaftliche Rahmenbedingungen.
Ethische und gesellschaftliche Implikationen
Der Aufstieg der Organ-on-a-Chip-Technologie bringt tiefgreifende ethische und gesellschaftliche Implikationen mit sich, größtenteils sehr positive, aber auch einige Überlegungen dazu, wie wir biomedizinische Forschung betreiben. Auf der ethischen Ebene ist der offensichtlichste Vorteil das Potenzial, Tierversuche in der Medikamententestung und Forschung stark zu reduzieren (und schließlich zu eliminieren). Dies adressiert ein langjähriges ethisches Problem: Traditionelle Medikamententests erforderten das Opfern zahlloser Tiere, was Bedenken hinsichtlich des Tierschutzes aufwirft. Wenn diese Tests durch Chips auf Basis menschlicher Zellen ersetzt werden, müssten deutlich weniger Tiere für Experimente herangezogen werden. Tierschutzorganisationen begrüßen diesen Trend – als die FDA ihren Schritt weg von Tierversuchen ankündigte, gehörten Tierrechtsgruppen zu den lautesten Stimmen, die dies feierten cen.acs.org. Auch die Öffentlichkeit sorgt sich zunehmend darum, wie Produkte getestet werden. Umfragen zeigen, dass Verbraucher ethisch einwandfreie Produkte bevorzugen und Gesetzgeber unter Druck gesetzt haben, beim Thema Tierversuche zu handeln theregreview.org. Der Wandel hin zu Organ-on-a-Chip ist zum Teil eine Antwort auf diese gesellschaftliche Forderung nach tierleidfreier Innovation. Es bietet eine greifbare Lösung auf die Frage: „Wenn nicht an Tieren, wie dann?“ – und zeigt, dass wir Sicherheit und wissenschaftliche Strenge ohne Tierleid gewährleisten können.
Eine weitere ethische Dimension ist die Fairness und menschliche Relevanz der Forschung. Wir vergessen oft, dass die Abhängigkeit von Tiermodellen nicht nur für den Menschen riskant ist, sondern auch für Patienten unfair sein kann, wenn sie die Medikamentenentwicklung verzögert oder in die Irre führt. Zum Beispiel: Wenn ein Heilmittel für eine menschliche Krankheit bei Tieren versagt und deshalb nicht weiterverfolgt wird, verliert die Menschheit, weil die Biologie einer anderen Spezies nicht mit unserer übereinstimmt. Umgekehrt kann ein unsicheres Medikament Tierversuche bestehen und dann menschlichen Probanden in klinischen Studien schaden. Organ-on-a-Chip begegnet dem, indem es sich von Anfang an auf menschliche Biologie konzentriert, was zu sichereren Studien und weniger Tragödien führen kann. Durch die Bereitstellung besser vorhersagbarer Daten kann es menschliche Probanden davor bewahren, Medikamenten ausgesetzt zu werden, die ohnehin gescheitert wären. In diesem Sinne profitieren Gesellschaft und Forschung von Organ-Chips, indem sie die Sicherheit klinischer Studien verbessern – weniger Studienteilnehmer werden gefährdet – und möglicherweise die Entwicklung von Heilmitteln beschleunigen (da unwirksame Substanzen früher aussortiert und vielversprechende mit mehr Zuversicht identifiziert werden können).
Der Übergang zu Organ-on-a-Chip und ähnlichen Methoden hat auch Auswirkungen auf die wissenschaftliche Gemeinschaft und die Arbeitskräfte. Da Tierversuche weniger zentral werden, benötigen Forschende neue Fähigkeiten (zum Beispiel Gewebeengineering, Mikrofluidik und computergestützte Analysen), um diese fortschrittlichen In-vitro-Systeme zu nutzen und weiterzuentwickeln. Es könnte zu einem kulturellen Wandel in Laboren und der Ausbildung kommen: Künftige Toxikolog:innen und Pharmakolog:innen könnten an menschenähnlichen Chips ausgebildet werden, anstatt Operationen an Labortieren zu erlernen. Dies könnte von Anfang an eine stärker menschenorientierte Denkweise in der Forschung fördern. Ethisch gesehen sind viele junge Wissenschaftler:innen begeistert von Techniken, die keine Schädigung von Tieren erfordern, sodass Organ-Chips biomedizinische Karrieren für diejenigen attraktiver machen können, die Tierversuche ablehnen. Dennoch muss der Übergang für diejenigen, deren Lebensunterhalt derzeit von tierbasierter Forschung abhängt (wie Züchter:innen von Labortieren oder bestimmte Labortechniker:innen), sorgfältig gestaltet werden. Mit der Zeit können Ressourcen umgelenkt werden – zum Beispiel könnten Einrichtungen, die früher Tiere beherbergten, in Gewebekulturlabore umgewandelt werden. Die Hoffnung ist, dass wissenschaftlicher Fortschritt Hand in Hand mit ethischem Fortschritt geht, und Organ-on-a-Chip bietet dafür einen Weg.
Es gibt auch weitergehende gesellschaftliche Fragen zu bedenken. Wenn Organ-on-a-Chip und verwandte Technologien (wie Organoide und Computermodelle) zum Standard werden, muss die Gesellschaft sicherstellen, dass regulatorische und rechtliche Rahmenbedingungen entsprechend angepasst werden. Zum Beispiel: Wie wird die Verantwortlichkeit geregelt, wenn ein Medikament auf Basis einer neuen Methode zugelassen wird, die später unerwartete Effekte zeigt? Die ordnungsgemäße Validierung von Organ-on-a-Chip-Methoden hilft, dies abzumildern. Einige Ethiker:innen argumentieren, dass wir mit der Einführung humanbasierter Modelle auch unsere Definition von Sicherheits- und Wirksamkeitsstandards überdenken müssen – möglicherweise sie sogar anheben, da wir präzisere Werkzeuge haben werden. Im globalen Maßstab ist der gerechte Zugang zu diesen Technologien ein Thema: Entwicklungsländer könnten nicht über die Ressourcen verfügen, um Hightech-Organ-Chip-Tests schnell einzuführen, sodass internationale Unterstützung oder Technologietransfer nötig sein könnte, andernfalls könnte eine Lücke entstehen, in der zunächst nur bestimmte Länder von Tierversuchen abrücken.
Aus Sicht der gesellschaftlichen Werte spiegelt der Schritt hin zu tierversuchsfreien Tests ein wachsendes Mitgefühl und Respekt für andere Lebewesen wider. Er steht im Einklang mit der Vorstellung, dass wissenschaftlicher Fortschritt nicht auf Kosten unnötigen Leidens gehen sollte. Wenn erfolgreich, könnte die Organ-on-a-Chip-Technologie zu einem Punkt von öffentlichem Stolz und Unterstützung werden, ähnlich wie das Wettrennen ins All oder andere große wissenschaftliche Unternehmungen, weil sie ein moralisches Dilemma löst und gleichzeitig die Wissenschaft voranbringt. Wir könnten eine Zukunft erleben, in der medizinische Durchbrüche nicht nur dafür gefeiert werden, Menschenleben zu retten, sondern auch dafür, dass sie keine Tierleben im Prozess kosten. Schon jetzt findet sich in politischen Kreisen eine Sprache, die die Reduzierung von Tierversuchen als Zeichen von Fortschritt und Innovation darstellt ema.europa.eu.
Abschließend lässt sich sagen, dass die ethischen und gesellschaftlichen Implikationen der Organ-on-a-Chip-Technologie weitgehend transformativ und positiv sind. Sie bietet eine Zukunft, in der wir humaner innovieren, und bringt wissenschaftliche Praktiken in Einklang mit den sich wandelnden moralischen Erwartungen der Gesellschaft. Natürlich werden Transparenz und Aufklärung entscheidend sein – die Öffentlichkeit sollte über diese neuen Methoden informiert und von deren Wirksamkeit überzeugt werden, um das Vertrauen in die Arzneimittelprüfung zu erhalten. Wenn Organ-on-a-Chip sein Versprechen einlöst, könnten wir Tierversuche als eine grobe, archaische Methode betrachten, vergleichbar mit anderen überholten Praktiken in der Medizingeschichte. Die Reise ist noch nicht zu Ende, aber jeder Fortschritt bei Organ-on-a-Chip bringt uns einen Schritt näher an eine Welt, in der lebensrettende Medikamente ohne das Opfern von Labortieren entwickelt werden können – zum Nutzen von Mensch und Tier gleichermaßen.
Expertenmeinungen und Zukunftsausblick
Viele Experten aus den Bereichen Pharmakologie, Bioingenieurwesen und Ethik sind optimistisch, dass die Organ-on-a-Chip-Technologie eine zentrale Rolle in der Zukunft der Arzneimittelentwicklung spielen wird. Dr. Donald Ingber, der Harvard-Professor, der die Entwicklung des ersten Lungen-on-a-Chip leitete, betont oft, dass diese Systeme „die Lücke“ zwischen Petrischalen-Experimenten und lebenden Menschen auf eine Weise schließen können, wie es sonst nichts vermag. Er und andere heben hervor, dass Organ-Chips Experimenten einen menschlichen Kontext verleihen – etwas, das Tiermodelle grundsätzlich nicht bieten können. Mit zunehmender Validierung wächst das Vertrauen in diese Systeme. Branchenführer wie Jim Corbett von Emulate heben hervor, wie schnell sich die Dinge ändern: „Dies ist eine klare und bewusste Veränderung,“ sagte Corbett zur neuen Haltung der FDA und unterstrich, dass eine einst futuristische Idee nun aktiv in die regulatorische Wissenschaft integriert wird cen.acs.org.
Gleichzeitig mahnen Experten, dass wir realistisch und rigoros bleiben müssen. Keine einzelne Methode wird alle Probleme lösen, und Organ-on-a-Chip ist kein Allheilmittel. Dr. Anthony Holmes vom NC3Rs im Vereinigten Königreich hat darauf hingewiesen, dass eine Kombination von Methoden – Organ-Chips, Computermodelle, Hochdurchsatz-Zelltests – gemeinsam die Tierversuche ersetzen werden und dass Zusammenarbeit entscheidend ist. Diese Ansicht teilen auch Regulierungsbehörden, die Interessengruppen durch Workshops und Arbeitsgruppen einbinden nist.gov. Die von ihnen angestrebte Zukunft ist eine von „Methoden neuer Ansätze“, die gemeinsam die Vorhersagen verbessern. In dieser Zukunft wird Organ-on-a-Chip als Schlüsseltechnologie gesehen, die menschliche Organreaktionen simulieren kann, während andere Werkzeuge (wie Computermodelle) die systemische Physiologie oder Genetik simulieren können. Zusammen könnten diese Tierversuche überflüssig machen.
Eine bemerkenswerte Erkenntnis aus der Industrie kam vom CEO von Mimetas, der sich zu einer IND-Einreichung äußerte, die durch ihre Organ-on-Chip-Daten unterstützt wurde: Die frühzeitige Nutzung humanrelevanter Modelle kann die Entwicklung von Therapien beschleunigen mimetas.com. Dies spiegelt einen breiteren Wandel in der Denkweise wider – menschliche Biologie als Standard-Testumgebung zu nutzen, anstatt sich auf die Übertragung zwischen Spezies zu verlassen. Die Erwartung ist, dass mit zunehmenden Erfolgsgeschichten (wie Medikamente, deren gefährliche Nebenwirkung durch einen Chip entdeckt wurde, oder eine Therapie, die dank Chips schnell entwickelt wurde) das gesamte pharmazeutische Paradigma auf „Human-First“ Testmodelle umschwenken wird. Unternehmen, die sich darauf einstellen, werden wahrscheinlich einen Wettbewerbsvorteil haben, da sie schneller scheitern können (schlechte Medikamente früher aussortieren) und sich auf vielversprechende Kandidaten konzentrieren können.
Mit Blick auf die Zukunft sagen Experten einige faszinierende Entwicklungen voraus. Personalisierte Medizin könnte durch Organ-on-a-Chip enorm vorangetrieben werden: Stellen Sie sich vor, man entnimmt einem Patienten mit einer bestimmten Krebserkrankung Zellen, züchtet einen Mikro-Tumor auf einem Chip zusammen mit den Immunzellen dieses Patienten und testet dann eine Reihe von Medikamenten, um zu sehen, welches am besten wirkt – und das alles, bevor der Patient behandelt wird. Dies könnte Realität werden und würde Behandlungen mit nie dagewesener Präzision auf den Einzelnen zuschneiden. Forscher untersuchen auch die Integration von CRISPR-Genschere mit Organ-Chips, um genetische Krankheiten auf dem Chip zu modellieren und Gentherapien zu testen. Ein weiteres Feld ist Umwelt- und Chemikalientests – Regulierungsbehörden, die für die Sicherheit von Chemikalien (nicht nur von Medikamenten) zuständig sind, interessieren sich für Organ-Chips, um Kosmetika, Lebensmittelzusätze oder Industriechemikalien auf Toxizität zu testen, ohne Tierversuche durchzuführen. Die EPA in den USA hat beispielsweise Initiativen, um Tierversuche für Chemikalien bis 2035 zu reduzieren, und Organ-Chips werden wahrscheinlich Teil dieser Lösung sein.
Zusammenfassend besteht unter Experten Konsens, dass die Organ-on-a-Chip-Technologie im Begriff ist, zu revolutionieren, wie wir Medikamententests und Krankheitsforschung angehen, aber es wird weiterhin Anstrengungen erfordern, um ihr volles Potenzial auszuschöpfen. Der Optimismus ist mit einem Verantwortungsbewusstsein verbunden: diese Systeme gründlich zu validieren, sicherzustellen, dass sie zugänglich sind und korrekt verwendet werden, und Wissen breit zu teilen. Während dieses Feld reift, rückt die einst abwegige Idee von Arzneimittelentwicklung ohne Tierversuche in greifbare Nähe. Jeder winzige mikrofluidische Chip mit seinen lebenden menschlichen Zellen stellt sowohl einen wissenschaftlichen Durchbruch als auch einen ethischen Fortschritt dar. Gemeinsam steuern sie uns auf eine Zukunft zu, in der die Entdeckung von Medikamenten sicherer, schneller und humaner ist – eine Zukunft, in der Laborratten, Kaninchen und Affen nicht mehr die Standard-Testsubjekte sind und menschliche Biologie auf einem Chip den Weg zur Rettung von Menschenleben weist.
Quellen:
- Ingber, D. et al., Wyss Institute, Harvard – Human Organs-on-Chips Übersicht cen.acs.org
- U.S. GAO – Human Organ-on-a-Chip: Vorteile gegenüber Tierversuchen, Herausforderungen bei der Einführung (Mai 2025) gao.gov
- Walrath, R., Chemical & Engineering News (Mai 2025) – „Die Abkehr der FDA von Tierversuchen eröffnet Organoid-Herstellern neue Möglichkeiten“ cen.acs.org
- Lake, D., Lab on a Chip Blog (RSC) – „Bahnbrechende Technologien im Bereich Organ-on-a-Chip“ (Jul 2024) blogs.rsc.org
- Clarivate Analytics – „Jenseits von Tierversuchen: Der Aufstieg der Organs-on-Chips“ (Okt 2024) b clarivate.com
- NIST News – „Entwicklung von Standards für Organ-on-a-Chip-Forschung“ (Feb 2024) nist.govnist.gov
- EMA 3Rs Working Party Report (2023) – Organ-on-Chip-Qualifizierung für regulatorische Zwecke ema.europa.eu
- Columbia Engineering News – „Plug-and-Play Organ-on-a-Chip“ (Apr 2022) engineering.columbia.edu
- Mimetas Pressemitteilung – Organ-on-Chip-Daten in FDA IND-Antrag (Jul 2024) mimetas.com
- RSPCA Science – Tiere in der Forschungsstatistik science.rspca.org.uk
- The Regulatory Review (Penn Law) – „Ist es Zeit, Tierversuche zu beenden?“ (Jan 2024) theregreview.org
- C&EN / Biospace – Markt für Tierversuche und Ausfallraten cen.acs.org
