Komplexe Organmodelle aus dem Labor

19.11.2019

Wissenschaftlern der Universität Würzburg ist es gelungen, aus Stammzellen menschliche Gewebe zu erzeugen. Diese kommen in ihrer Komplexität dem normalen Gewebe sehr nahe und sind bisherigen Konstrukten deutlich überlegen.

Organoidmodelle mit einer teils verblüffende Ähnlichkeit zu echten embryonalen Geweben. Hier zu sehen sind (v.l.): 3D-Rekonstruktion des Blutgefäßsystems innerhalb eines Organoids, Gehirn-Organoid mit Blutgefäßen (rot) und Gehirnstammzellen (grün) und einTumor-Organoid mit Blutgefäßen (rot) und Tumorzellen (grün). (Bild: Institut für Anatomie und Zellbiologie)

Seit es japanischen Forschern im Jahr 2006 erstmals gelungen ist, Alleskönner-Stammzellen durch eine epigenetische Umprogrammierung von Bindegewebszellen künstlich herzustellen, steht der Wissenschaft ein unvergleichlich wertvoller Zelltyp zur Verfügung, mit dessen Hilfe sich alle Zellen des menschlichen Körpers in der Kulturschale erzeugen lassen.

Kultiviert man diese sogenannten „induzierten pluripotenten Stammzellen“ (iPS-Zellen) als dreidimensionale Zellaggregate, lassen sich durch die gezielte Zugabe von Wachstumsfaktoren funktionierende Miniaturversionen menschlicher Organe erschaffen, sogenannte Organoide. Basierend auf dieser Technik wurden innerhalb der letzten Jahre beispielsweise Zellkulturmodelle des Darms, der Lunge, der Leber, der Nieren sowie des Gehirns erschaffen.

Bisherige Organoide blieben unvollständig

Solche Organoidmodelle weisen eine teils verblüffende Ähnlichkeit zu echten embryonalen Geweben auf. Allerdings blieben sie, bedingt durch die Herstellungsmethode, bisher meist unvollständig, da sie keine Zellen und Strukturen des Organstroma – des bindegewebigen Stützgerüstes – enthielten. Es fehlten beispielsweise Blutgefäße und Immunzellen. Während der Embryonalentwicklung stehen all diese Zelltypen und Strukturen jedoch in ständigem Austausch, beeinflussen sich gegenseitig und treiben so die Entwicklung und Reifung des Gewebes sowie des Organs voran. Auch Erkrankungen entstehen meist im Gewebekontext unter Beteiligung verschiedener Zelltypen. Ein gezielter Einbau dieser Stromakomponenten und besonders von funktionierenden Blutgefäßen würde daher bereits etablierte Organoidmodelle besser ausreifen lassen.

Ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu solch komplexen Organoiden ist jetzt Wissenschaftlern der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) gelungen. Verantwortlich dafür waren die Anatomen Dr. Philipp Wörsdörfer und Professor Süleyman Ergün, Vorstand des Instituts für Anatomie und Zellbiologie. In einem in der Fachzeitschrift „Scientific Reports“ Anfang November 2019 erschienen Artikel stellen die Forscher die Ergebnisse ihrer Arbeit vor.

Mesodermale Stammzellen vervollständigen Miniorgane

„Wir haben uns bei unseren Arbeiten eines Tricks bedient“, erklärt Philipp Wörsdörfer. „Wir haben zunächst aus Alleskönner-Stammzellen sogenannte mesodermale Vorläuferzellen erzeugt“. Solche Vorläuferzellen können unter geeigneten Bedingungen Blutgefäße, Immunzellen sowie die Zellen des Bindegewebes hervorbringen.

Um das Potenzial der mesodermalen Vorläufer zu demonstrieren, mischten die Wissenschaftler anschließend diese Zellen zum einen mit Tumorzellen und zum anderen mit Gehirnstammzellen, die wiederum zuvor von humanen iPS-Zellen generiert worden waren. Aus dieser Mischung entwickelten sich in der Zellkulturschale komplexe dreidimensionale Tumor- beziehungsweise Hirnorganoide mit funktionellen Blutgefäßen, Bindegewebsanteilen und im Falle des Hirngewebes auch hirnspezifischen Immunzellen, sogenannten Mikroglia-Zellen.

„Die mit dieser neuen Technik generierten Miniatur-Organmodelle können in Zukunft dabei helfen, die Vorgänge bei der Entstehung von Krankheiten besser zu untersuchen und die Wirkung von therapeutischen Substanzen genauer zu analysieren, bevor sie bei Tier und Mensch eingesetzt werden“, sagt Süleyman Ergün. Mit ihrer Hilfe wäre es deshalb möglich, die Zahl von Tierversuchen zu reduzieren. Darüber hinaus könnten die Organmodelle dazu beitragen, embryonale Entwicklungsprozesse besser zu verstehen und – da sie bereits mit einem funktionierenden Blutgefäßsystem ausgestattet sind – Gewebe zu erzeugen, die sich effizient transplantieren lassen.

Wörsdörfer, P., Dalda, N., Kern, A, Krüger, S., Kwok, C.K., Wagner, N., Henke, E., Ergün, S. Generation of complex human organoid models including vascular networks by incorporation of mesodermal progenitor cells. Sci Rep 9, 15663 (2019) doi:10.1038/s41598-019-52204-7