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Mathematisches Modell Analyse von Organoiden im Kampf gegen Mukoviszidose

Autor / Redakteur: Paola Lecca* / Dr. Ilka Ottleben

Früher galt Mukoviszidose v. a. als Kinderkrankheit – weil kaum ein Patient das Erwachsenenalter erreichte. Durch Fortschritte in der Therapie hat sich die Lebenserwartung zwar stark verbessert, ist jedoch noch immer deutlich verkürzt. An der Freien Universität Bozen wurde nun ein mathematisches Modell entwickelt, um aus medizinischen Bildern die Reaktion auf neue pharmakologische Behandlungen gegen Mukoviszidose zu erkennen.

Abb. 1: Lungensymptome sind bei Mukoviszidose besonders schwerwiegend – zäher Schleim kann die Atmung behindern.
Abb. 1: Lungensymptome sind bei Mukoviszidose besonders schwerwiegend – zäher Schleim kann die Atmung behindern.
(Bild: ©microscience - stock.adobe.com)

Mukoviszidose, auch Cystische Fibrose (CF) genannt, ist eine schwere angeborene Stoffwechselerkrankung. Ursache ist eine Mutation im so genannten CFTR-Gen (Cystic Fibrosis Transmembrane Conductance Regulator) (s. LP-Info-Kasten auf Seite 2). Die daraus resultierende Fehlfunktion des CFTR-Proteins – einem Kanal, der den Chlortransport in den Zellen reguliert – verursacht eine Störung des Flüssigkeitstransports im Epithelgewebe der Lunge, der Bauchspeicheldrüse und anderer Organe, was zu den typischen Symptomen der Mukoviszidose führt. Dies sind z. B. Obstruktion des Magen-Darm-Trakts und der Atemwege – Lungensymptome sind besonders häufig und schwerwiegend.

Menschen mit Mukoviszidose haben weniger CFTR-Kanäle oder defekte CFTR-Kanäle. Dies kann zur Produktion von zähem Schleim führen, der in der Folge die freie Bewegung der Zilien des Lungenepithels und die Ausscheidung des Schleims aus der Lunge behindert. Schleim und Keime sammeln sich daher in der Lunge an, was zu verschiedenen Symptomen wie Keuchen, Kurzatmigkeit, anhaltendem Husten mit Auswurf und bakteriellen Lungeninfektionen führt. In Italien kommt etwa ein gesunder Träger auf 25 Menschen. Zwei gesunde Träger haben als Paar eine Chance von eins zu vier, in jeder Schwangerschaft ein krankes Kind zu bekommen.

Bildergalerie

Die Medikamentenforschung

Derzeit werden experimentelle Medikamente zur Behandlung von Mukoviszidose an Organoiden getestet, bevor sie an Patienten erprobt werden. Organoide sind Miniaturorgane, die im Labor aus Stammzellen hergestellt werden, d. h. aus undifferenzierten Zellen, die in der Lage sind, verschiedene Zelltypen hervorzubringen. Je nach Herkunft der Stammzellen, die sie erzeugen, stehen heute verschiedene Arten von Organoiden zur Verfügung: Im Bereich der Mukoviszidose ist das Interesse an Darmorganoiden groß, die als geschlossene sphäroidale Strukturen mit einem zentralen Hohlraum auftreten. Sie werden aus Stammzellen gewonnen, die in den Nischen der Darmschleimhaut vorhanden sind: winzige Schleimhautfragmente (mit einem Durchmesser von etwas mehr als 1 mm), die rektal entnommen oder aus Biopsien bei der Koloskopie gewonnen werden können. Diese Stammzellen sind in der Lage, im Labor Organoide zu entwickeln, die eingefroren lange gelagert werden können und dann für Experimente zur Verfügung stehen.

Intestinale Organoide könnte man im übertragenen Sinne als Ballons beschreiben, die durch viele Öffnungen – die CFTR-Kanäle – mit Wasser gefüllt werden können. Da der Eintritt von Wasser wesentlich von der Öffnung der CFTR-Kanäle abhängt, sind Organoide, die von Gesunden gewonnen werden, aufgrund der Aktivität gut funktionierender CFTR-Kanäle geschwollen und rundlich; Organoide, die von CF-Patienten gewonnen werden, erscheinen dagegen gefaltet, klein im Volumen und nicht kugelförmig.

Selbst bei Stimuli, die im Labor gegeben werden, um den CFTR-Kanal zu aktivieren, schwellen Organoide von CF-Patienten nicht an, weil der Kanal kein Chlor und damit kein Wasser absondert. Andererseits konnte gezeigt werden, dass verschiedene Medikamente, die den defekten CFTR-Kanal korrigieren, in der Lage sind, die Organoide von Patienten mit Mukoviszidose anschwellen zu lassen. Es hat sich auch gezeigt, dass bei einzelnen Patienten die durch Spirometrie beobachtete Verbesserung der Lungenfunktion während einer Neumutationstherapie mit der durch die Schwellung nachgewiesenen Korrektur von CFTR in ihren Organoiden übereinstimmt.

In jüngsten Experimenten haben eine Forschungsgruppe der Ab­teilung für Pathologie der Medi­zinischen Fakultät der Universität Verona unter der Leitung von Prof. Claudio Sorio und eine Gruppe des Integrierten Universitätskrankenhauses von Verona unter der Leitung von Prof. Paola Melotti Bilder und Videos von Darmorganoiden gesammelt, die verschiedenen pharmakologischen Behandlungen unterzogen wurden. Die Videos erlauben es, die Veränderungen der Form und des Volumens der Organoide zu beobachten und liefern somit wertvolle Hinweise auf die Reaktion auf die Medikamente.

Problem & Lösungsvorschlag

Die Daten, die der Autorin des Beitrags zur Verfügung stehen und die von den Ärzten der Universität Verona gesammelt wurden, um die Wirkung eines Medikaments zu testen, sind zeitliche Abfolgen von dreidimensionalen Bildern von Organoiden, die die Veränderung der Form und des Volumens dieser Strukturen im Laufe der Zeit zeigen. Abbildung 2 zeigt den Screenshot eines 2D-Ausschnitts dieser Bildersammlung. Die Form der Organoide ist rund, etwa kugelförmig, und bleibt während des Wachstums so, wenn das Medikament, mit dem sie behandelt werden, bei der Korrektur defekter CFTR-Kanäle wirksam ist; andernfalls zeigt das Anschwellen oder Kollabieren des Organoids an, dass das Medikament nicht wirksam ist.

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