Tierversuche haben in der biomedizinischen Forschung eine lange Tradition und ermöglichten viele fundamentale Erkenntnisse. Das tun sie auch weiterhin. Forschung an Zellkulturmodellen erweiterte ab den 60er Jahren des 20. Jahrhunderts das Instrumentarium der Forschung. In den letzten rund 15 Jahren hat sich das Methodenspektrum stark erweitert: Organoide, 3D-Biodruck, Organ-on-a-Chip-Systeme sowie Computersimulationen eröffnen neue Möglichkeiten. Für bestimmte Fragestellungen können sie Tierversuche ersetzen oder sinnvoll ergänzen und bringen die Forschung näher an eine personalisierte Medizin. Aber auch hier gilt – ebenso wie bei Tierversuchen – nicht alles ist auf den Menschen übertragbar.

Bereits in der Antike (Galen) und der Renaissance (Da Vinci) wurde an Tieren geforscht, um Anatomie und Physiologie zu ergründen.

Seit den Anfängen der modernen Medizin im 19. Jahrhundert wurden Tiere systematisch eingesetzt, um die Funktionen von Organen zu verstehen, Krankheitsursachen zu finden und neue Behandlungen zu entwickeln. Damals gab es noch keine Alternativen, um komplexe biologische Prozesse zu beobachten und Tierversuche waren unverzichtbar, etwa bei der Entwicklung von Impfstoffen oder Antibiotika. Fortschritte in der Medizin wären ohne diese Modelle nicht möglich gewesen. Übrigens ist auch heute – Stand 2026 – kein Medikament regulär verfügbar, dessen Entwicklung und/oder Zulassung ohne Tierversuche ausgekommen wäre. 

1959 formulierten die britischen Wissenschaftler William Russel und Rex Burch erstmals das sogenannten 3R-Prinzip: Replace (Ersetzen), Reduce (Verringern) und Refine (Verbessern). Das Prinzip zielt darauf ab, Tierversuche durch Alternativen zu ersetzen, die Zahl der Tiere innerhalb eines Versuchs zu reduzieren und die Methoden so zu gestalten, dass Leid minimiert wird. Zu Zeiten von Russel und Burch bedeutete Replace das Ersetzen bewusster, lebender höherer Tiere durch lebloses Material. Mittlerweile wurden die Definitionen modernisiert und an die erweiterten Möglichkeiten angepasst (siehe z.B. https://charite3r.charite.de/ “Das 3R-Prinzip”).

Die Zellkultur als Methode der biomedizinischen Forschung begann Anfang des 20. Jahrhunderts mit ersten Versuchen tierische Zellen außerhalb des Körpers zu züchten und zu untersuchen. Sie wurde jedoch erst ab den 1950er und 1960er Jahren durch Innovationen wie z.B. die Verfügbarkeit von Antibiotika, speziellen Salz- und Nährmedien sowie sterilen Arbeitsmöglichkeiten in den Forschungslaboren systematisch nutzbar. Ein Meilenstein war auch die Etablierung „unsterblicher“ Zelllinien.

Ein aktueller Innovationsschub in der biomedizinischen Forschung kam durch die Entwicklung dreidimensionaler (humaner) Gewebemodelle:

• Ab 2009 veröffentlichte die Gruppe von Prof. Hans Clevers bahnbrechende Arbeiten zur Kultivierung stabiler dreidimensionaler Organoide, insbesondere Darmorganoide aus Stammzellen von zunächst Mäusen und später Menschen. Diese enthalten verschiedene organtypische Zellen- und Anordnungen und ihre verbreitete Nutzung und Weiterentwicklung eröffnet neue Wege für personalisierte Medizin und Wirkstofftests.
• In den Jahren 2000 bis 2010 wurden Grundlagen für den 3D-Biodruck gelegt: z.B. verbesserte Biotinten, computergestützte Design- und Fertigungstechnologien und kommerziell erhältliche Biodrucker.
• Ab ca. 2010 wurden erste Organ-on-Chip-Modelle entwickelt. Die Verknüpfung von mehreren Organmodellen auf einem Biochip (Multi-Organ-Chip) erfolgte wenige Jahre später mit zwei menschlichen Organoiden, die durch künstliche Blutkreisläufe verbunden wurden, und seither wird diese Technik stetig weiterentwickelt und erforscht.

Anders als zweidimensionale Zellkulturen mit einer Zellart bilden dreidimensionale Gewebe- oder Organmodelle die natürliche Zellumgebung in Organen mit verschiedenen Zelltypen nach und erlauben die Untersuchung von entsprechenden Zell-Zell-Interaktionen sowie Gewebearchitekturen. Werden diese aus menschlichen Zellen hergestellt, spiegeln sie komplexe physiologische Vorgänge realistischer wider und liefern bei der Erforschung von Krankheiten oder Medikamenten Ergebnisse, die näher am Menschen sind.

Derzeit findet ein Transformationsprozess statt: Die bisherige Biomedizinische Forschung ist z.B. in der Medikamentenentwicklung sehr ineffizient, nur ca. 10% aller Entwicklungen schaffen es bei Kosten in Milliardenhöhe über alle Hürden in die Anwendung am Menschen. Durch die konsequente Anwendung von Technologien wie Organoiden, 3D-Biodruck, Organ-on-a-Chip oder Multi-Organ-Chips und fortgeschrittene Computersimulationen, die auf menschlichen Zellen und Geweben bzw. menschlichen Daten beruhen, erhofft sich die Biomedizin eine verbesserte Übertragbarkeit auf den Menschen und damit eine Kostensenkung in der Biomedizin. Gleichzeitig können durch diese Technologien zukünftig mehr Erkenntnisse ohne die Notwendigkeit von Tierversuchen erreicht werden.  Aber ganz klar ist, auch hier gilt: Es sind Modelle – auch sie bilden weder den menschlichen Organismus in seiner Gesamtheit ab noch die Vielfalt der Menschen.

All dies sind gute Gründe, um über und mit humanbasierten dreidimensionalen Modellen zu forschen. Diese Modelle haben ein enormes Potential und die Forschung wird weltweit mit großer Geschwindigkeit vorangetrieben. Die Modelle werden weiterentwickelt und optimiert, um sie dem menschlichen Vorbild immer ähnlicher zu machen. Forschungsfelder sind:

• Steigerung der Komplexität: Hier geht es darum, möglichst alle Zelltypen eines Organs zu integrieren, eine Versorgung über Blutgefäße zu schaffen und die Interaktion mit dem Immunsystem oder anderen Organsystemen einzubeziehen.
• Reifung von Organoiden: In manchen Organoiden bilden die Zellen bislang eher embryonale Zellstadien aus, sie gleichen noch nicht „erwachsenen“ Zellen.
• Standardisierung und Skalierbarkeit: Für die Herstellung und Prüfung der Modelle existieren jenseits der regulatorischen Zulassung durch Behörden kaum Standards. Auch die Automatisierung für Hochdurchsatzprüfungen ist noch in der Entwicklung.

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