Kölner Forscher zeigen, wie man mit einem komplexen Leberzellmodell auf dem Chip zuverlässig Stoffwechselprodukte identifizieren kann, die für den Doping-Nachweis bei Sportlern genutzt werden können.

Um nachzuweisen, ob Sportler Dopingmittel einnehmen, werden Urinproben entnommen und untersucht. Es werden allerdings meist nicht die Dopingmittel selbst im Urin nachgewiesen, sondern Stoffwechselprodukte, die sich im Körper nach Einnahme der Substanz gebildet haben. Verantwortlich für die Verstoffwechselung der Dopingmittel ist hauptsächlich die Leber. Da es immer wieder neue Dopingmittel gibt, ist es wichtig, zu erforschen, nach welchen Stoffwechselprodukten man im Urin suchen muss.

Üblicherweise werden hierfür die Dopingmittel an Ratten oder Mäuse verabreicht. Die Tiere müssen tagelang in sogenannten Stoffwechselkäfigen ausharren, wo ihre Ausscheidungen aufgefangen werden, um darin die Stoffwechselprodukte zu analysieren. Tiere haben aber einen anderen Stoffwechsel als Menschen und die Ergebnisse können nicht sicher auf den Menschen übertragen werden.

Forscher der Deutschen Sporthochschule Köln haben nun in Zusammenarbeit mit der Berliner Firma TissUse ein modernes Leber-auf-dem Chip-Modell genutzt, das ideal für diese Untersuchungen geeignet ist. Sie verwenden komplexe 3-dimensionale Leberzellkulturen, sogenannte Sphäroide. Diese Kulturen spiegeln den Stoffwechsel in der menschlichen Leber exzellent wider. Die Leber-Sphäroide werden auf einem Biochip platziert und über ein Mikrokanalsystem, das den Blutkreislauf simuliert, wird die zu testende Doping-Substanz eingeleitet. Gesteuert wird das ganze Chipsystem über eine Computersoftware. Auf dem Chip können die Sphäroide lange überleben, sodass das Experiment in diesem Fall 14 Tage lang durchgeführt werden konnte. Das ist wichtig, um zu sehen, wie lange nach einer Dopingeinnahme welche Stoffwechselprodukte bei den Sportlern noch nachweisbar sind.

Zur Prüfung des Chip-Modells wurden zunächst 2 bekannte Dopingsubstanzen verwendet und mit den Stoffwechselmustern verglichen, die man in Urinproben von gedopten Sportlern findet. Bei dem Leber-Chip-Experiment wurden über einen Zeitraum von 14 Tagen zu verschiedenen Zeitpunkten 3 Mal die Dopingsubstanzen zugegeben und insgesamt 10 Mal Proben aus dem Mikrokanalsystem entnommen, die den Urinproben bei einem gedopten Sportler entsprechen. Die Untersuchung der Proben zeigte, dass in dem Chip-Modell die Stoffwechselprofile exzellent widergespielt wurden, die im Urin von Sportlern gefunden wurden. Das bedeutet, dass man dieses innovative In-vitro-Modell zukünftig nutzen könnte, um bei neuen Dopingsubstanzen Stoffwechselprodukte zu identifizieren, nach denen dann im Urin von Sportlern gesucht werden kann. Diese Studie zeigt einmal mehr, wie beeindruckend komplexe Vorgänge im menschlichen Körper durch Organ-on-a-chip-Modelle simuliert werden können.

Dr. rer. nat. Tamara Zietek

Quelle: Görgens C. et al. Drug Testing and Analysis 2021

Quelle für Abbildung: Modifiziert nach Görgens et al. Drug Test Anal. 2021

Aufbau des Leber-auf-dem Chip-Modells für die Testung von Doping-Stoffwechselprodukten. Auf dem Chip befinden sich u.a. Behälter für die komplexen 3D-Leberzellkulturen, sowie ein Mikrokanalsystem zur Einleitung von Nährlösung und Testsubstanzen und eine Mikropumpe, die für eine Zirkulation der Flüssigkeiten im System sorgt.

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