Organoid

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Ein Organoid (von griechisch ὄργανον órganon: Organ, Werkzeug und εἶδος eidos: Art, Form, Gestalt) ist eine wenige Millimeter große, organähnliche Mikrostruktur, die mit Methoden der Zellkultur artifiziell erzeugt werden kann. Unter geeigneten Kulturbedingungen können Organoide aus einer oder wenigen Gewebezellen, embryonalen Stammzellen oder induzierten pluripotenten Stammzellen gezüchtet werden. Sofern keine mesenchymalen Stammzellen verwendet wurden,[1] besitzen Organoide kein Stroma und keinerlei Gefäße; sie zeigen dennoch physiologisch relevante, organähnliche Eigenschaften.

Aus Lgr5+ Stammzellen ausdifferenziertes Darm-Organoid

Voraussetzungen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Zur Erzeugung von Organoiden bedarf es als Ausgangsmaterial pluripotenter Stammzellen. Solche Zellen befinden sich in einem Zustand, aus dem heraus sie fähig sind, sich zu differenzieren und sich gemeinsam zu strukturieren. Ergebnis der Selbstorganisation sind gewebeartige Verbände aus ausdifferenzierten Zellen, die sich in Gestalt und Funktion unterscheiden. Die Struktur von Organioden gleicht zumindest teilweise menschlichen oder tierischen Organen.

Organoide entstehen meist nicht auf einer Agarschicht; sie brauchen flüssiges Nährmedium, das die Möglichkeit bietet, räumlich in einer 3D-Zellkultur zu wachsen. Die Herstellung von Organoiden erfordert ein steriles Zellkulturlabor, um die anspruchsvolle, konstruktive Gewebezüchtung durchzuführen. In diesem Arbeits- und Forschungsfeld der Biotechnologie werden eventuell auch gentechnische Verfahren eingesetzt, vorzüglich die CRISPR/Cas-Methode.

Die Produktpalette umfasst winzige Modelle innerer Organe (Herz, Magen, Darm, Niere). Erstaunliche Fortschritte gelangen bei den komplexen Strukturen des Gehirns. Solche zerebrale Organoide modellieren Großhirnrinde, Hippokampus, Mittelhirn, Hypothalamus, Kleinhirn, vordere Hypophyse und Augennetzhaut des Menschen, von Säugern, seltener von anderen Wirbeltieren.[2] Für ihre Anzucht gibt es Protokolle, welche die Entwicklung von Regionen des Gehirns bewirken.[3]

Zerebrale Organoide[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Großhirn-Modelle[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Für komplexe Strukturen ist es erforderlich, Teilergebnisse zusammenzuführen. Aus dorsalen und ventralen Organoiden des Großhirns entstand ein Verbund mit dorsal-ventraler Achse. Fluoreszierende Reportermoleküle stellten Interneurone dar, die von der ventralen zur dorsalen Großhirn-Einheit wanderten.[4]

Kleinhirn-Modelle[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Der Kultur menschlicher embryonaler Stammzellen wurden nach und nach Wachstumsfaktoren angeboten. In Selbstorganisation entstanden Zellverbände, die dem embryonalen Neuralrohr glichen. Sie besaßen dorsoventrale Polarität und Vorne-hinten-Ausrichtung. Die Schichtstrukturen wiederholten die Entstehung des Kleinhirns. Und die induzierten Purkinjezellen zeigten spezifisch menschliche Merkmale.[5]

Weitere Organoide[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Herz-Modelle[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Zweidimensionale Kolonien induzierter pluripotenter Stammzellen des Menschen (hiPSC) wurden in dreidimensionale Kulturen überführt. So entstanden, wiederum in Selbstorganisation, winzige Herzkammern. Video eines schlagenden Herzkammer-Organoids zeigt der folgende Link.[6]

Magen-Darm-Modelle[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Menschliche Magen-Organoide wurden in vitro schrittweise hergestellt, indem man die räumlichen und zeitlichen Zellsignale der natürlichen Magenentwicklung nachahmte. Als Vorbilder dienten Studien an Darm- und Lungen-Geweben. Die Magen-Modelle eignen sich, das Zusammenwirken von Zellen zu studieren, die nicht einem Epithel-Typ angehören, sondern endothelial, neuronal oder mesenchymal sind. Zweck derartiger Studien sei genetischer Modellbau, das Prüfen von Arzneimitteln und künftig die Transplantation.[7]

Nieren-Modelle[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Nach einem Nephron-Protokoll ließen sich Vorläuferzellen für Untereinheiten der menschlichen Niere ausdifferenzieren. Mit geeigneten Biomarkern wies man Podozyten, proximale Nierenkanälchen, Henle-Schleifen und distale Kanälchen nach. Die Strukturfolge war einem Nephron in vivo gleichwertig.[8] Ein Übersichtsartikel berichtet vom Funktionsnachweis an proximalen Nierenkanälchen, die Dextran durch Endozytose aufnahmen. Angeborene Nierenkrankheiten wären mit solchen Organoiden zu simulieren, in deren humane pluripotente Stammzellen krankmachende Mutationen mittels CRISPR eingeschleust wurden. Auf diese Weise sei (unbekannten) Genen auf die Spur zu kommen, die Nierenkrankheiten verursachen.[9]

Forschungsziele[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • Die Wirkung von Arzneien prüfen; dadurch Tierversuche weitgehend überflüssig machen.
  • Die Genkaskaden für Differenzierung und Selbstorganisation darstellen.
  • Genmutationen ermitteln, die Gestaltfehler der Organe oder deren Funktionsstörungen verantworten.
  • Organspenden und Zellspenden entwickeln, die durch Induktion von Stammzellen aus dem Körper des Patienten gewonnen werden. Solche Stammzelltherapien ersetzen passgenau kranke Zellen durch gesunde; sie sind eine Hoffnung der personalisierten Medizin.

Literatur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • Madeline A Lancaster, Jürgen A Knoblich: Organogenesis in a dish: modeling development and disease using organoid technologies. In: Science 345 (6194), 2014: 1247125. DOI:10.1126/science.1247125. → Pluripotente Stammzellen können im Prinzip alle Zelltypen hervorbringen. Diese Fähigkeit wird genutzt, um die Entwicklung von Organen oder deren Krankheiten zu modellieren.
  • Jürgen A Knoblich: Minigehirne aus dem Labor. In: Spektrum der Wissenschaft. 12/2017, S. 30–37
  • Ulrich Bahnsen: Hier wachsen Gehirne. In: Die Zeit N° 17, 19. April 2018, S. 35–36
  • A Lavazza, M Massimini: Cerebral organoids: ethical issues and consciousness assessment. In: J Med Ethics Februar 2018. DOI: 10.1136/medethics-2017-104555; in Druck.

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. Gretel Nusspaumer, Sumit Jaiswal, Andrea Barbero, Robert Reinhardt, Dana Ishay Ronen, Alexander Haumer, Thomas Lufkin, Ivan Martin, Rolf Zeller: Ontogenic identification and analysis of mesenchymal stromal cell populations during mouse limb and long bone development. In: Stem Cell Reports 9, 2017: 1124–1138.
  2. Elizabeth Di Lullo, Arnold R Kriegstein: The use of brain organoids to investigate neural development and disease. In: Nat Rev Neurosci 18 (10), 2017: 573–584. PDF.
  3. Joshua A Bagley, Daniel Reumann, Juergen A Knoblich: Detailed cerebral organoid fusion method. In: Protocol Exchange 2017. Freier Artikel.
  4. Joshua A Bagley, Daniel Reumann, Shan Bian, Julie Lévi-Strauss, Juergen A Knoblich: Fused dorsal-ventral cerebral organoids model complex interactions between diverse brain regions. In: Nature Methods 14 (7), 2017: 743–751. PDF.
  5. Keiko Muguruma, Ayaka Nishiyama, Hideshi Kawakami, Kouichi Hashimoto, Yazici Sasai: Self-organization of polarized cerebellar tissue in 3D culture of human pluripotent stem cells. In: Cell Rep 10 (4), 2015: 537–550. PDF.
  6. Plansky Hoang, Jason Wang, Bruce R Conklin, Kevin E Healy, Zhen Ma: Generation of spatial-patterned early-developing cardiac organoids using human pluripotent stem cells. In: Nature Protocols 13 (4), 2018: 723–737. Am Link-Ende: Video eines schlagenden Herzkammer-Modells, 600 μm Durchmesser.
  7. Alexandra K Eicher, H Matthew Berns, James M Wells: Translating developmental principles to generate human gastric organoids. In: Cell Mol Gastroenterol Hepatol 5 (3), 2018: 353–363. PDF.
  8. Ryuji Morizane, Albert Q Lam, Benjamin S Freedman, Seiji Kishi, M Todd Valerius, Joseph V Bonventre: Nephron organoids derived from human pluripotent stem cells model kidney development and injury. In: Nat Biotechnol 33 (11), 2015: 1193–1200. PDF.
  9. Elena Garreta, Nuria Montserrat, Juan Carlos Izpisua Belmonte: Kidney organoids for disease modeling. In: Oncotarget 9 (16), 2018: 12552–12553.