Organoide verleihen der Zell-, Gewebe- und Organforschung neue Dimensionen

Tissue Engineering, Genbearbeitung, Organe auf Chips: Zellkulturen und Zelllinien haben zweifellos die Biologie und Medizin verändert.

Da die Wissenschaft jedoch an die Grenzen dessen stößt, was ein oder zwei Zelltypen leisten können, wenden sich Forscher Organoiden zu – einem neueren Werkzeug, das Körperumgebungen imitieren und nicht nur Zellen, sondern auch Gewebe und Organe nachahmen kann.

„Eines der bemerkenswertesten Dinge in den letzten 10 Jahren ist die Entdeckung, durch die Zusammenarbeit von buchstäblich Hunderten von Laboren auf der ganzen Welt, dass wir mit diesem Organoid-Toolkit praktisch jeden Zelltyp außerhalb des Körpers kultivieren können“, sagte Andrew Ewald, der die Abteilung für Zellbiologie an der Johns Hopkins School of Medicine leitet.

Seit mehr als einem Jahrhundert züchten Forscher Zellen in Laboren, um Krankheiten, Toxine und Behandlungen zu untersuchen. Aber wie das Fotokopieren einer einzelnen Seite eines Buches erzählt die Kultivierung von Zellen nur einen Teil der Geschichte.

Organoide, die mehrere interagierende Zelltypen enthalten, ähneln eher einer Zusammenfassung. Der Unterschied zwischen Kulturen und Organoiden ist der Unterschied zwischen einer Gurke und einem Salat oder einer Zündkerze und einem Motor.

„Sie sind organähnlich: Die Strukturmerkmale der Zellen in diesen dreidimensionalen Anordnungen sind sehr ähnlich, wie sie im Körperinneren aussehen würden“, sagte Ewald.

Ewalds Forschung baut auf der Arbeit der Pioniere auf diesem Gebiet auf, die Ende der 1980er Jahre zeigten, dass die Epithelzellen einer Brust, die auf einem dreidimensionalen Proteingerüst wachsen, Milchgänge bilden und sogar Milch produzieren können – ein Prozess, der am lebenden Menschen schwer zu untersuchen ist.

„Wir können zusehen, wie neue Röhren innerhalb weniger Tage im Labor beginnen, sich verlängern, sich teilen und polarisieren, bis sie ihren reifen Differenzierungszustand erreichen“, sagte Ewald.

Ewald erforscht auch Krebs und Metastasen. Es kann jedoch Wochen oder Jahre dauern, bis Krebszellen in lebenswichtigen Organen neue Tumore bilden. Deshalb verwendet Ewald Organoide, um die verschiedenen Phasen des Prozesses im Labor zu modellieren.

Dieses Fenster, das Organoide in komplexe zelluläre Prozesse bieten, könnte Wissenschaftlern helfen, zu sehen, wie sich Zellen entwickeln, verändern und sterben – selbst in der komplexen, spezialisierten Welt des Gehirns.

„Wir nutzen diese wirklich, um Aspekte der neurologischen Entwicklung und neurodegenerativer Erkrankungen zu untersuchen, mit einem Schwerpunkt auf der Alzheimer-Krankheit“, sagte David Brafman, Molekularbiologe an der ASU.

Forscher können Organoide entweder aus adulten Stammzellen züchten, die für ihren eigenen Gewebetyp spezifische Zellen bilden, oder aus induzierten pluripotenten Stammzellen (iPS), die – mit dem richtigen Anstoß unter Einbeziehung bestimmter Kulturen und Wachstumsfaktoren – zu jedem Zelltyp im Körper werden können.

Welchen Typ Forscher wählen, hängt von ihren Bedürfnissen und Zielen ab.

Brafmans Labor führt verschiedene Risikofaktoren für Krankheiten in iPS-Zellen ein, die einem gesunden Menschen entnommen wurden. Da diese Zellen genetisch identisch sind, stellen sie einen klareren kausalen Zusammenhang zwischen Risikofaktoren und Krankheiten her.

„Das bietet viel mehr Kontrolle, anstatt einen Satz iPS-Zellen von einer Gruppe gesunder Patienten und einer Gruppe erkrankter Patienten zu nehmen, wo man nicht nur den Krankheitszustand mit dem gesunden Zustand vergleicht, sondern dann auch.“ Unterschiede im genetischen Hintergrund“, sagte Brafman.

Der Nutzen von Organoiden liegt teilweise in ihrer Fähigkeit, ganze Nachbarschaften zu bilden, in denen verschiedene, interagierende Zelltypen untergebracht sind. Um diese komplexe Umgebung zu verstehen, verwenden Forscher spezielle Farbstoffe, um Zelltypen mit unterschiedlichen Farben anzufärben.

„Und wenn wir sie tatsächlich betrachten, können wir sehen, dass sie alle Zelltypen des Gewebes enthalten, aus dem wir gesammelt haben“, sagte Curtis Thorne, Biologe für Krebszellen an der UA.

Stellen Sie sich ein Organoid als einen gallertartigen Klumpen vor, der mit rosinenartigen Flecken übersät ist, ähnlich einem unappetitlichen Ambrosia-Salat. Das Rezept ist unkompliziert, wenn nicht sogar einfach: Beginnen Sie mit einer gesunden oder erkrankten Probe; Enzyme hinzufügen; hacken, um die gewünschten Zellen zu trennen; Platzieren Sie sie in einem 3D-Proteingerüst. nahrhafte Suppe hinzufügen; und in einer Klimakammer wachsen lassen.

„Im Laufe einiger Wochen werden wir beobachten, wie diese kleinen Strukturen herauswachsen, die wir Organoide nennen“, sagte Thorne. „Und wenn sie groß genug sind, können wir sie aufbrechen und im Gerüst wieder aufhängen, und sie wachsen weiter und vermehren sich.“

Das Gerüst selbst besteht aus typischen Proteinen, die von den Bindegewebszellen des Körpers abgesondert werden, wie zum Beispiel Lamininen, Kollagenen und Fibronektinen.

„Wenn man Zellen aus verschiedenen Teilen des Körpers entnimmt und sie in eine geeignete dreidimensionale Umgebung bringt, organisieren sie sich zu Geweben, die denen, die sie im Körper bilden würden, sehr ähnlich sind“, sagte Ewald.

Ohne Gerüst haben Organoide so viel Struktur wie Jell-O ohne Form; Damit können sich Zellen zu einem wahren Gewebe-Tiramisus organisieren. Pankreaszellen bilden Pankreasgänge; Neuronale Zellen bilden Gehirnstrukturen. Und sie werden es umgeben von bekannten Mobiltelefongesichtern tun.

„Stellen Sie sich Zellen als ein soziales Leben vor: Es handelt sich nicht um eine Zelle, die in einer Petrischale sitzt und zur Bauchspeicheldrüse wird; Es handelt sich um eine Gruppe von Zellen, die sich mit molekularen Klettverschlüssen berühren“, sagte Ewald. „Sie knüpfen und unterbrechen Kontakte zu ihren Nachbarn und senden auf der Grundlage dieser Kontakte Signale innerhalb ihrer eigenen Zellen und an ihre Nachbarn.“

Zu diesen Nachbarn könnten Blutgefäße, Immunzellen, Fibroblasten oder andere Epithelzellen gehören.

„Dies war sogar in Forschungsbereichen wichtig, in denen es bereits viele Möglichkeiten gab, Zellen zu kultivieren und zu erhalten“, sagte Ewald. „Aber es war eine Revolution für seltene Krankheiten und für Krankheiten, bei denen es schwierig ist, Zellen überhaupt für die Untersuchung aus dem Körper zu entfernen.“

Für seltene Krankheiten gibt es oft keinen ausreichenden Markt, um pharmazeutische Forschung anzulocken. Ein Beispiel ist Morbus Cushing, ein fortschreitendes Syndrom, bei dem der Körper das Stresshormon Cortisol überproduziert. Das Cushing-Syndrom kann zu Gewichtszunahme, Bluthochdruck, Herzinfarkt und Schlaganfall führen und das Leben des Patienten erheblich verkürzen.

„Der mangelnde Fortschritt ist auf die geringe Finanzierung und das geringe Interesse an diesen Krankheiten zurückzuführen, trotz des Chaos, das sie bei Patienten anrichten können“, sagte Neurochirurg Dr. Andrew Little, Direktor des Hypophysenzentrums des Barrow Neurological Institute. „Allerdings haben wir jetzt ein neues Modell, mit dem wir diese Krankheiten untersuchen können.“

Cushing-Krankheit ist meist auf einen gutartigen Tumor zurückzuführen, der dazu führt, dass die Hypophyse viel zu viel ACTH (adrenocorticotropes Hormon) ausschüttet. Dadurch werden die Nebennieren überstimuliert, was dazu führt, dass sie die Cortisolproduktion steigern.

Little führt bei Cushing-Patienten transsphenoidale Operationen durch, um diese Hypophysentumoren zu entfernen. Bei diesem Verfahren wird mithilfe eines Endoskops über die Nase und das Keilbein auf die Drüse zugegriffen.

„Glücklicherweise liegt die Hypophyse direkt hinter dem Nasenrücken“, sagte Little. „Es hängt vom Gehirn herab wie eine Kirsche auf einem Stiel, sodass wir durch die Nase unter das Gehirn schleichen und Zugang zur Hypophyse haben können.“

Als Nebeneffekt und mit der Zustimmung seines Patents kann Little die entfernten Tumore an Kollegen wie Yana Zavros, Direktorin der gemeinsamen Ressource „Gewebeerfassung und zelluläre/molekulare Analyse“ der UA, senden.

Zavros untersucht Morbus Cushing, indem er drei verschiedene Arten von Organoiden züchtet: eines aus dem Tumorgewebe des Patienten; zum Vergleich eines aus normalem menschlichem Hypophysengewebe; und eines, das dadurch entsteht, dass periphere Blutzellen mit Wachstumsfaktoren angeregt werden, sodass sie sich in Hypophysengewebe verwandeln.

Wenig gesagt bietet die dritte Technik einzigartige Vorteile.

„Es ist sehr reichlich vorhanden und wir können dieses Gewebe leicht durch eine Blutentnahme aus einer peripheren Vene gewinnen“, sagte er. „Während bei den anderen beiden Typen eine Gehirnoperation erforderlich ist, um dies zu erreichen.“

Thorne verwendet Organoide, um zu untersuchen, wie Darmgewebe sich selbst erhält, repariert und verteidigt. Der Darm besteht aus einer Vielzahl von Stammzellen, die sich gegenseitig identifizieren und wissen müssen, wann Gewebe regeneriert werden muss. Diese Signale können jedoch fehlschlagen, wenn Krebs ins Spiel kommt.

„Wir können sie auf ganz unterschiedliche Weise befragen – sie mit verschiedenen Medikamenten oder Wachstumsfaktorbehandlungen untersuchen – und sie rekapitulieren die Art und Weise, wie sich das Gewebe im Körper verhält, aber sie tun es in einer Schüssel“, sagte Thorne.

Thornes Labor konzentriert sich auf die Oberflächenzellen des Dünn- und Dickdarms – ein wahrer Dschungel aus schleimsekretierenden Becherzellen, hormonsekretierenden Hormonzellen und nährstoffabsorbierenden Kolon- und Enterozyten.

„Es ist ein Gewebe, das aus vielen Zellen besteht, und Organoide rekapitulieren diese Heterogenität“, sagte Thorne.

Vor der Entwicklung von Organoiden stützte sich die Zellforschung weitgehend auf Zelllinien, die häufig aus Krebserkrankungen stammten.

Einige waren so langlebig und produktiv, dass sie praktisch unsterblich waren – das berühmteste und umstrittenste Beispiel sind die HeLa-Zellen, die der Johns-Hopkins-Forscher Dr. George Gey 1951 von Henrietta Lacks erwarb, also noch vor der aktuellen Praxis der Einwilligung nach Aufklärung.

Solche Zelllinien sind zwar zweckmäßig, können aber ein wenig zombieartig sein: Sie vermehren sich, trennen sich aber nicht in verschiedene Zelltypen und funktionieren nicht wie Zellen im Körper.

„Es war also einfach, sie zu züchten, aber sie repräsentieren nicht das Wachstumsverhalten von Zellen im Körper und sie repräsentieren nicht die Funktion von Zellen im Körper“, sagte Thorne.

Den Pathologen ging es noch schlimmer, denn sie stützten sich bei ihrer Diagnose auf totes Gewebe, das biopsiert und in Formaldehyd fixiert wurde.

„Die Pathologie wird sich also von einer Endpunkt- oder toten Gewebedisziplin zu einer lebenden Gewebedisziplin entwickeln, was meiner Meinung nach einen großen Paradigmenwechsel für den Bereich der medizinischen Pathologie bedeuten wird“, sagte Thorne.

Laut Thorne spielen Organoide bereits eine führende Rolle beim Testen neuer Medikamente und bei der Identifizierung derjenigen, die in klinische Studien überführt werden sollten. Er glaubt aber auch, dass Organoide in den nächsten Jahrzehnten vom Labortisch in die Klinik gelangen und dabei die personalisierte Medizin vorantreiben werden.

Die Hoffnung besteht darin, dass Forscher dann sowohl gesundes als auch krebsartiges Gewebe von bestimmten Patienten untersuchen könnten, indem sie es zu Organoiden züchten, die sie genetisch profilieren und verschiedenen Therapien aussetzen würden.

„Wenn Sie in die Klinik gehen, wird Ihr Gewebe entnommen, am Leben gehalten und auf eine Weise profiliert, die dem Kliniker hilft, wie er Ihre eigene Krankheit behandelt“, sagte er.

Brafman ist weniger optimistisch, was solche Arzt-Patienten-Interaktionen mit Organoiden angeht. Er geht davon aus, dass sie weiterhin ein präklinisches Instrument bleiben, das Patienten unterschiedslos beeinflusst, indem es wirksamere oder kostengünstigere Behandlungen ermöglicht.

So oder so sind Organoide kein Allheilmittel; Sie sind nur ein weiteres Werkzeug im Kit, das für seinen jeweiligen Einsatzzweck besser geeignet ist als andere.

„Das Schlüsselwort hier ist also wieder ‚besser‘“, sagte Brafman. „Es ist nicht annähernd die gleiche Umgebung wie in der neurologischen Entwicklung, aber es ist besser als 2D.“

Allerdings sind Organoide nach wie vor kompliziert – schwer zu vergrößern, nur mit modernster Bildgebung und Genomik zu entschlüsseln und äußerst komplex.

„Je komplexer man das Modellsystem gestaltet, desto weniger skalierbar ist es“, sagte Thorne.

Bis die Forschung diesen Engpass beseitigt, müssen sich Wissenschaftler auf einfachere Organoide und Studien verlassen, die sie automatisieren können.

Unterdessen befürchten einige, dass Befürchtungen, Unwissenheit und zunehmende Bürokratie der Regierung den Fortschritt weiter bremsen werden.

Es besteht auch weiterhin die Sorge, dass weder Patienten noch Krankenhäuser Organoide gut genug verstehen, damit der Prozess der Einwilligung nach Aufklärung ordnungsgemäß funktioniert – insbesondere angesichts der Behauptung, dass manche Menschen andere Regeln befolgen.

„Im Rahmen des Gesetzes sind Patienten immer geschützt“, sagte Thorne. „Aber einige medizinische Einrichtungen gehen aggressiver bei der Gewebeentnahme vor – mit Zustimmung –, aber sie nehmen Gewebe und machen interessante Dinge mit diesem Gewebe.“

Organoide sind spannende Werkzeuge, die ein neues Licht auf die zelluläre Entwicklung und Krankheit innerhalb von 3D-Strukturen werfen, die Gewebe und Organe nachahmen. Aber nur die Zeit wird zeigen, ob diese Zellular-Soufflés ihr volles Potenzial entfalten.

„Wissenschaft ist ein langsamer, mühsamer Prozess“, sagte Brafman. „Das bedeutet nicht, dass wir es nicht finanzieren oder uns nicht darüber freuen sollten; Das ist einfach eine Art Prozess.“

„Jeder, der nach seinem Tod Zellen, Gewebe oder Organe spenden möchte, dem würde ich wärmstens empfehlen, dies zu tun“, sagte er.