1. Wie das Zellkügelchen gut gedeiht Es begann mit einem missglückten Experiment − wie so viele bahnbrechende Entdeckungen in der Wissenschaft. Die damalige Postdoktorandin Madeline Lancaster versuchte, Stammzellen aus dem Gehirn einer Maus über Nacht am Boden einer Petrischale wachsen zu lassen. Doch am nächsten Morgen fand sie nur eine trübe Flüssigkeit vor – eigentlich ein Hinweis auf abgestorbene Zellen, wie sie später im Podcast Radiolab erzählt. Ein genauerer Blick durch das Mikroskop enthüllte jedoch Erstaunliches: In der Nährflüssigkeit hatten sich die Zellen von selbst zu kleinen Kügelchen zusammengetan, deren Strukturen von Tag zu Tag mehr an die eines Gehirns erinnerten. Solche Zellhäufchen erobern seit über 15 Jahren die Labore der Welt. Forschende stellen nicht nur Minigehirne her, sondern auch kleinste Versionen von vielen anderen Organen wie Leber, Lunge, Niere, Darm und Netzhaut. Toxizitätstests mit Mini-Leber statt Mäusen Bei der Entwicklung von Wirkstoffen müssen Pharma-firmen früh auf Nebenwirkungen achten, um eventuell noch Modifikationen vorzunehmen. Die Firma Insphero setzt deswegen auf Leberorganoide, mit denen sich toxische Effekte von Substanzen nachweisen lassen. Die amerikanische Zulassungsbehörde FDA akzeptiert solche Tests teilweise schon für die Zulassung von Studien in Menschen. Bis heute müssen die Wirkungen vorgängig in Tieren getestet werden. Gut möglich, dass die Miniorgane von den Behörden bald breiter akzeptiert werden. «In einem Test mit gut 150 bereits zugelassenen Medikamenten hat unser System acht der zehn Substanzen identifiziert, die nachträglich wegen Nebenwirkungen vom Markt genommen werden mussten», so Vizepräsident Olivier Frey. Das Potenzial dieser sogenannten Organoide für die Grundlagenforschung und die Biomedizin ist immens: Die dreidimensionalen Gebilde kommen viel näher an die echten Verhältnisse im Körper heran als bisher verwendete flache Zellkulturen. Sie bestehen – wie echte Organe auch – aus verschiedenen Typen von Zellen, die sich in geordneten Strukturen organisieren und miteinander kommunizieren. Die Ähnlichkeiten mit echten Organen sind oft verblüffend: So hat ein Herzorganoid im Inneren winzige Kammern und pulsiert im gleichen Rhythmus wie ein echtes Herz. Aus Organoiden des Darms wachsen rundum Zipfelchen heraus, die genauso aufgebaut sind wie die Zotten des Dünndarms, über die Nährstoffe aufgenommen werden. Und Nervenzellen in Hirnorganoiden senden einander elektrische Signale. 1) Aus Biopsien bei Menschen oder aus Versuchstieren gewinnen Forschende Gewebe, aus dem sie Organoide herstellen. Sie lösen dafür das Gewebe auf und zerlegen es in seine Bestandteile. | Grafiken: Janine Wiget 2) In einem Tropfen aus Gel wachsen die Zellen zu einem Klumpen zusammen. 3) Durch Beigabe von Signalstoffen geben die Forschenden dem Klumpen die richtigen Anweisungen. Die Zellen beginnen, sich zu organisieren und zu spezialisieren, und bilden so eine Hohlkugel, die auch andere, komplexere Formen annehmen kann: das Organoid. 4) Mit den Organoiden führen die Forschenden dann die Versuche durch. Zum Beispiel können sie die mit Farbstoffen markierten Zellen unter dem Mikroskop beobachten. Für die Herstellung der Strukturen braucht es fein abgestimmte Rezepte, jeweils angepasst an das gewünschte Endprodukt: «Da steckt einerseits viel Aufwand und Erfahrung dahinter, andererseits ist es auch ein bisschen Kunst», sagt Olivier Frey, Vizepräsident des ETH-Spin-off Insphero, das unter anderem Leber- und Darmorganoide verkauft. «Ziel ist es, dass sie möglichst gut die Funktion des ursprünglichen Organs repräsentieren.» Die Miniorgane lassen sich aus verschiedenem Ausgangsmaterial herstellen: Am Anfang stehen oft Stammzellen, die das Potenzial haben, sich zu unterschiedlichsten Zelltypen weiterzuentwickeln. Seit etwa 20 Jahren gibt es ein Verfahren, solche sogenannten pluripotenten Stammzellen beispielsweise aus Bindegewebe herzustellen. Alternativ lassen sich die Miniorgane aber auch aus Gewebeproben zum Beispiel von Biopsien produzieren. «Da steckt einerseits viel Aufwand und Erfahrung dahinter, andererseits ist es auch ein bisschen Kunst.» Olivier Frey Die Forschenden platzieren die Zellen dafür oft in einen Tropfen einer gelartigen Materie. Die darin enthaltenen Substanzen formen eine Art Gerüst, das die Bildung von Zellhäufchen anstösst. Ein ausgeklügelter Mix aus Nähr- und Signalstoffen entscheidet dann darüber, ob sich aus den Häufchen eine Minileber, eine Minibauchspeicheldrüse oder ein ganz anderes Organoid entwickelt. Der Prozess von einzelnen Zellen bis zum wenige Millimeter grossen strukturierten Gebilde kann sich über Wochen oder gar Monate erstrecken, in denen es sorgfältig aufgepäppelt und überwacht werden muss. 2. Erste Schritte in Richtung Medizin Ein weiteres Plus neben der Ähnlichkeit zu echten Organen: Die Organoide lassen sich problemlos aus menschlichen Zellen herstellen. Bisher war die Forschung immer dadurch limitiert, dass sie nicht direkt an menschlichen Organen durchgeführt werden kann. Und die herkömmlichen Zellkulturen, die in einer dünnen Schicht am Boden von Petrischalen kleben, sind weit von den realen Verhältnissen im Körper entfernt. Oft führen Forschende deswegen Versuche in Mäusen oder anderen Tieren durch, die aufgrund von genetischen Veränderungen menschenähnliche Krankheitsbilder aufweisen. Kranke und gesunde Gehirne vergleichen Das Gehirn besteht etwa zur Hälfte aus Stützzellen, die unter anderem Energie für die Nervenzellen bereitstellen. Diesen Prozess bildet die Firma Gliapharm in Organoiden nach, die aus Nervenzellen, umhüllt von Stützzellen, bestehen. Damit hat das EPFL-Spin-off einen Wirkstoff zur Behandlung der seltenen Erbkrankheit namens Glut1-Defizit-Syndrom getestet, bei der Energiemangel zu epileptischen Anfällen führt. Dafür wurde die elektrische Aktivität der Minigehirne aus Zellen von erkrankten und von gesunden Menschen verglichen. Laut Mitgründer und Forschungsleiter Charles Finsterwald lassen sich mit dem Wirkstoff vielleicht auch Erkrankungen wie Alzheimer oder Depressionen lindern, bei denen die Energieversorgung der Nervenzellen ebenfalls beeinträchtigt sein kann. «Für mich war es schon immer ganz wichtig, an einem menschlichen System zu forschen», sagt Ralph Müller, Professor für Biomechanik an der ETH Zürich. Ihn interessiert, wie sich Knochen bilden und wieder abbauen, beispielsweise bei Osteoporose. Seinem Team ist es gelungen, einen Teil dieser Prozesse mit menschlichen Knochenorganoiden nachzubilden. Hierfür drucken sie feine Gitter aus einem Gel, in dem sich Vorläufer von Knochenzellen befinden. Die Knochenzellen werden neben anderen Nährstoffen auch mit Mineralien gefüttert. Zudem werden die Gitter dreimal die Woche für einige Minuten leicht zusammengedrückt. Dies simuliert die mechanische Belastung, die für den Aufbau von Knochen notwendig ist. «Nach etwa vier Wochen haben wir ein gut mineralisiertes Gerüst, das mit lebenden Zellen besiedelt ist, die untereinander kommunizieren. Im Menschen würde dies drei Jahre dauern», so Müller. «Für mich war es schon immer ganz wichtig, an einem menschlichen System zu forschen.» Ralph Müller Diese belastbaren Konstrukte verwendet Müller in seinem Labor für biologische Grundlagenforschung. Aus seiner Arbeit ist auch ein Spin-off namens Compagos hervorgegangen, das Knochenorganoide in der Medizin einsetzen möchte: etwa für die Suche nach neuen Medikamenten gegen die seltene erbliche Glasknochenkrankheit. Oder für die Diagnose von Metastasen bei Knochenkrebs. Und vielleicht in der Zukunft sogar für den beschleunigten Wiederaufbau von beschädigten Knochen. Mit diesen Ideen ist die Firma nicht allein. Zahlreiche Start-ups − aber auch die grossen Pharmafirmen − investieren mittlerweile in die neue Technologie. Zellkugeln werden bereits für die Vorselektion von neuen Wirkstoffen, toxikologische Tests und personalisierte Therapien eingesetzt. Die Hoffnung ist auch, dass die Kleinstorgane eines Tages die Transplantationsmedizin revolutionieren. Aus Zellen von Erkrankten könnte genetisch identisches Ersatzgewebe für Organe gezüchtet werden – so dass eine Abstossung kein Problem mehr darstellt. Erste Schritte in diese Richtung gibt es beispielsweise für die Langerhans-Inseln der Bauchspeicheldrüse, die bei Menschen mit Diabetes geschädigt sind. Sie gleichen in ihrer natürlichen Form schon Organoiden. 3. Standardisieren, automatisieren, industrialisieren «Bei einer neuen disruptiven Technologie gibt es immer zuerst eine explosive Entwicklung, vor allem in der Forschung. Dann kommt der Übergang zur industriellen Anwendung», sagt Gilles Weder, Leiter des Bereichs Forschung und Life Sciences am Technologie-Innovationszentrum CSEM in Neuenburg und Allschwil (BL). Sein Team arbeitet mit zahlreichen Start-ups und Pharmafirmen zusammen, um den Einsatz von Organoiden weiterzutreiben. Dazu gehört die Entwicklung von automatisierten Systemen zur Aufzucht und Pflege einer grossen Anzahl der Miniorgane. Denn dies von Hand zu tun, ist enorm zeitaufwändig. Deswegen übernehmen mittlerweile Pumpen, Schläuche und Pipettierroboter diese Aufgabe. Sie können beispielsweise Hunderte davon in den Näpfchen von Laborplatten versorgen. Für personalisierte Krebstherapie Jeder Tumor ist anders – die Herausforderung ist deshalb, für jede Patientin individuell die beste Therapie zu finden. Dabei können Organoide jetzt schon im kleinen Rahmen helfen, wie Brustkrebsforscher Mohamed Bentires-Alj von der Universität Basel erklärt. Sein Team kultiviert patientenspezifische Tumororganoide aus Gewebe einer Biopsie und testet den Effekt von Medikamenten auf deren Wachstum und Überleben – zum Beispiel, wenn es um die Entscheidung zwischen gleichwertigen Behandlungsoptionen geht. So kann Patientinnen eine schlecht wirkende Therapie und deren Nebenwirkungen erspart bleiben. Noch ist die Methode auf schwere Einzelfälle beschränkt. Es fehlen grosse Studien, die belegen, dass Tumororganoide genauso auf ein Medikament reagieren wie der echte Tumor. Das aus dem CSEM hervorgegangene Start-up Visienco hat zudem einen Apparat entwickelt, der nicht gut gediehene Organoide blitzschnell erkennt und aussortiert, damit alle gleich gross und im selben Entwicklungsstadium sind. Diese Standardisierung ist für Anwendungen in der Industrie enorm wichtig, etwa wenn es um toxikologische Studien oder die Wirkweise von Medikamenten geht. Die Automatisierung betrifft auch die Durchführung und Auswertung der Tests mit den Zellkugeln – sei es die Messung von elektrischer Aktivität in Hirnorganoiden, das Zählen von abgestorbenen Zellen oder die Quantifizierung von Fluoreszenz. Um die dabei anfallenden riesigen Datenmengen auszuwerten, braucht es schon oft Unterstützung durch eine KI. Besonders damit die Zahl von Tierversuchen reduziert werden kann, ist unbedingt mehr Standardisierung und Validierung nötig. Dazu müssen die Zellkugeln aber die Wirklichkeit noch besser abbilden. Und auch daran wird gearbeitet: Viele Forschungsteams versuchen Organoide zu züchten, die Blutgefässe bilden und mit Immunzellen angereichert sind. Dies imitiert die physiologische Mikroumgebung noch genauer. «Sie kommen an die Komplexität von lebenden Organismen bei weitem nicht heran.» Olivier Frey Eine weitere Annäherung an physiologische Verhältnisse versprechen auch sogenannte Organe-auf-dem-Chip. Hierfür werden verschiedene Arten der Zellkugeln in Aussparungen auf einem Plastikchip platziert und durch Mikrokanäle miteinander verbunden. Damit lässt sich etwa der Austausch von Stoffen über das Blut zwischen mehreren Organen simulieren. Laut Frey sind Experimente mit solchen Chips aber im Moment noch sehr aufwändig, so dass sie derzeit noch eher in der Forschung als in der Industrie zum Einsatz kommen. Eine sehr grosse Annäherung an echte physiologische Verhältnisse könnte aber auch neue Probleme bedeuten. Einige befürchten zum Beispiel, dass elektrisch aktive Minigehirne ein eigenes Bewusstsein entwickeln könnten, was neue ethische Fragen aufwerfen würde. Dafür besteht laut Weder aber noch lange keine Gefahr. Organoide verfügen zwar über verblüffende Fähigkeiten. «Sie haben aber nur eine begrenzte Zahl an Funktionen und kommen an die Komplexität von lebenden Organismen bei weitem nicht heran.»
Miniorgane erobern die Labore – und begründen erste Medizinstart-ups - Ausgabe 149
