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Künstlich erzeugte Organmodelle

Stammzellforschung: Organe aus der Petrischale

| Autor/ Redakteur: Gunnar Bartsch* / Christian Lüttmann

Eine Niere oder Leber aus dem Labor? Diese Option rückt immer näher. So haben nun Forscher der Universität Würzburg eine neue Methode vorgestellt, mit der sich komplexe Organmodelle züchten lassen. Exemplarisch ließen sie dazu aus einem Stammzellmix künstliches Hirngewebe heranwachsen, das sogar Blutgefäße und Bindegewebe aufwies.

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Organoidmodelle mit einer teils verblüffenden Ähnlichkeit zu echten embryonalen Geweben: 3D-Rekonstruktion des Blutgefäßsystems innerhalb eines Organoids
Organoidmodelle mit einer teils verblüffenden Ähnlichkeit zu echten embryonalen Geweben: 3D-Rekonstruktion des Blutgefäßsystems innerhalb eines Organoids
(Bild: JMU, Institut für Anatomie und Zellbiologie)

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

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

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Künstlichen Organen fehlt das gewisse Etwas

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 enthielten – des bindegewebigen Stützgerüstes. 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.

Künstlich gezüchtete Organe sind trotz Fortschritten in der Forschung noch weit vom klinischen Einsatz entfernt. Das Einverständnis zu einer Organspende hingegen kann schon heute Patienten helfen. Wie viele Menschen deutschlandweit auf Spenderorgane warten und weitere Fakten zur Organspende verrät diese Bildergalerie:

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Hirnorganoid mit Blutgefäßen und Bindegewebe

Nun ist Wissenschaftlern der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu solch komplexen Organoiden gelungen. „Wir haben bei unseren Arbeiten zunächst aus Alleskönner-Stammzellen so genannte mesodermale Vorläuferzellen erzeugt“, sagt Philipp Wörsdörfer. 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.

Das Ergebnis erfüllte die Erwartungen der Forscher voll und ganz: Aus der besonderen Mischung entwickelten sich in der Zellkulturschale komplexe dreidimensionale Tumor- beziehungsweise Hirnorganoide mit funktionellen Blutgefäßen, Bindegewebsanteilen und im Falle des Hirngewebes auch hirnspezifischen Immunzellen, den Mikroglia-Zellen.

Aussichtsreich für Medzin und Organspende

„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 JGU-Anatom Prof. Süleyman Ergün. Damit sei es deshalb möglich, die Zahl von Tierversuchen zu reduzieren. Darüber hinaus könnten die Organmodelle dazu beitragen, embryonale Entwicklungsprozesse besser zu verstehen und Engpässe bei der Organspende zu reduzieren. Denn weil die Organmodelle bereits mit einem funktionierenden Blutgefäßsystem ausgestattet sind, könnte man daraus Gewebe erzeugen, die sich effizient transplantieren lassen.

Originalpublikation: 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

* G. Bartsch, Julius-Maximilians- Universität Würzburg, 97070 Würzburg

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