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Biotech-Interesse An Mini-Organ-Booms
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Biologen bauen Banken von „Organoiden“und lernen unterwegs viel über die menschliche Entwicklung.

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Es war ein ansonsten normaler Tag im November, als Madeline Lancaster feststellte, dass sie versehentlich ein Gehirn gewachsen war. Seit Wochen hatte sie versucht, menschliche embryonale Stammzellen dazu zu bringen, neurale Rosetten zu bilden, Zellcluster, die zu vielen verschiedenen Arten von Neuronen werden können. Aber aus irgendeinem Grund weigerten sich ihre Zellen, am Boden der Kulturplatte zu kleben. Stattdessen schwebten sie und bildeten seltsame, milchig aussehende Kugeln.

"Ich wusste nicht wirklich, was sie waren", sagt Lancaster, der damals Postdoc am Institut für Molekulare Biotechnologie in Wien war. An diesem Tag im Jahr 2011 entdeckte sie jedoch einen seltsamen Pigmentpunkt in einer ihrer Kugeln. Als sie unter das Mikroskop schaute, stellte sie fest, dass es sich um die dunklen Zellen einer sich entwickelnden Netzhaut handelte, ein Auswuchs des sich entwickelnden Gehirns. Und als sie einen der Bälle aufschnitt, konnte sie eine Vielzahl von Neuronen heraussuchen. Lancaster erkannte, dass sich die Zellen zu etwas unverkennbarem wie einem embryonalen Gehirn zusammengesetzt hatten, und ging mit den Nachrichten direkt zu ihrem Berater, dem Stammzellbiologen Jürgen Knoblich. "Ich habe etwas Erstaunliches", sagte sie zu ihm. "Du musst es sehen."

Lancaster und ihre Kollegen waren nicht die ersten, die ein Gehirn in einer Schüssel wachsen ließen. Im Jahr 2008 berichteten Forscher in Japan, dass sie embryonale Stammzellen von Mäusen und Menschen dazu veranlasst hatten, geschichtete Kugeln zu bilden, die an eine Großhirnrinde erinnern. Seitdem haben die Bemühungen, Stammzellen zu rudimentären Organen zu züchten, begonnen. Mit sorgfältig abgestimmten chemischen Hinweisen haben Forscher auf der ganzen Welt dreidimensionale Strukturen hergestellt, die Gewebe aus Auge, Darm, Leber, Niere, Bauchspeicheldrüse, Prostata, Lunge, Magen und Brust ähneln. Diese Gewebestücke, die Organoide genannt werden, weil sie einen Teil der Struktur und Funktion realer Organe nachahmen, fördern das Wissen über die menschliche Entwicklung, dienen als Krankheitsmodelle und Plattformen für das Wirkstoff-Screening und können möglicherweise zur Rettung beschädigter Organe verwendet werden (siehe 'The Organoidbank '). "Es ist wahrscheinlich die bedeutendste Entwicklung im Bereich Stammzellen in den letzten fünf oder sechs Jahren", sagt Austin Smith, Direktor des Wellcome Trust / MRC-Stammzelleninstituts an der Universität von Cambridge, Großbritannien.

Fahren Sie mit 08:17 fort, um zu hören, wie Kerri Smith nachforscht.

das wachsende Feld der wachsenden Miniatur.

Organe.

Die derzeitige Ernte von Organoiden ist nicht perfekt. Einige haben keine Schlüsselzelltypen; andere ahmen nur die frühesten Stadien der Organentwicklung nach oder variieren von Charge zu Charge. Daher bemühen sich die Forscher, ihre Organoide zu verfeinern, um sie komplexer, reifer und reproduzierbarer zu machen. Dennoch waren Biologen erstaunt darüber, wie wenig Ermutigungszellen sich selbst zu ausgefeilten Strukturen zusammensetzen müssen. "Es ist kein hochentwickeltes Bioengineering erforderlich", sagt Knoblich. "Wir lassen die Zellen einfach tun, was sie wollen, und sie bilden ein Gehirn."

Einen Darm wachsen lassen

Dies sollte keine große Überraschung sein, sagt die Molekularbiologin Melissa Little von der University of Queensland, Australien. „Der Embryo selbst ist unglaublich in der Lage, sich selbst zu organisieren. Es wird keine Vorlage oder Karte benötigt. " Dies ist seit dem frühen 20. Jahrhundert bekannt, als Embryologen zeigten, dass sich Schwämme, die in einzelne Zellen zerlegt worden waren, wieder zusammensetzen konnten. Aber solche Arbeiten sind aus der Mode gekommen, und moderne Biologen haben ihre Aufmerksamkeit darauf gerichtet, Zellen zu reinigen und in Kultur zu züchten - oft in flachen Schichten, die wenig dazu beitragen, normales menschliches Gewebe nachzuahmen.

Das Studium dieser Zellen, um zu verstehen, wie ein Organ funktioniert, ist wie das Studium eines Ziegelhaufens, um die Funktion eines Hauses zu verstehen, sagt Mina Bissell, Krebsforscherin am Lawrence Berkeley National Laboratory in Kalifornien. "Wir sollten gerade anfangen, das Haus zu machen", sagt sie. Bissells Arbeit an Kulturen von Brustzellen trug dazu bei, die Idee zu verbreiten, dass sich Zellen in 3D-Kulturen anders verhalten als in herkömmlichen flachen. Mitte der 2000er Jahre setzte sich die Idee durch. Der Enthusiasmus wurde von Yoshiki Sasai, einem Stammzellbiologen am RIKEN-Zentrum für Entwicklungsbiologie in Kobe, Japan, angeheizt, der beim Wachstum einer Großhirnrinde den Kopf verdrehte, gefolgt von einem rudimentären Optikbecher und einer Hypophyse (siehe Nature 488) 444–446; 2012).

Nur ein Jahr, nachdem Sasai seinen geschichteten Kortex angekündigt hatte, berichtete Hans Clevers, ein Stammzellforscher am Hubrecht-Institut in Utrecht, Niederlande, über die Schaffung eines Mini-Darms. Der Durchbruch resultierte aus einer Entdeckung im Jahr 2007, als Clevers und seine Kollegen Darmstammzellen in Mäusen identifiziert hatten. Im Körper schienen diese Zellen eine unbegrenzte Fähigkeit zu haben, die Darmschleimhaut zu teilen und wieder aufzufüllen, und einer der Postdocs von Clevers, Toshiro Sato, wurde beauftragt, sie im Labor zu kultivieren.

Anstatt die Zellen flach wachsen zu lassen, beschloss das Paar, sie in Matrigel einzubetten, ein weiches Gelee, das der extrazellulären Matrix ähnelt, dem Netz von Molekülen, das die Zellen umgibt. "Wir haben nur Dinge ausprobiert", sagt Clevers. "Wir hofften, dass wir vielleicht eine Kugel oder einen Zellklumpen machen würden." Einige Monate später, als Clevers sein Auge auf Satos Mikroskop richtete, sah er mehr als nur Kleckse. Die Zellen hatten sich geteilt, in mehrere Typen differenziert und hohle Kugeln gebildet, die mit knorrigen Vorsprüngen übersät waren. Im Inneren fand das Team Strukturen, die den nährstoffabsorbierenden Zotten des Darms ähnelten, sowie die tiefen Täler zwischen ihnen, die Krypten genannt wurden. "Die Strukturen sahen zu unserem größten Erstaunen wie echte Eingeweide aus", sagt Clevers. "Sie waren schön.".

Die 2009 gemeldeten Mini-Eingeweide könnten sich als leistungsstarkes Werkzeug in der personalisierten Medizin erweisen. Clevers und sein Team verwenden sie, um die Wirksamkeit von Arzneimitteln bei Menschen mit Mukoviszidose zu untersuchen, die genetische Defekte aufweisen, die Ionenkanäle beeinflussen und die Bewegung von Wasser in und aus den Zellen, die die Lunge und den Darm auskleiden, stören. Die Forscher entnehmen Menschen mit dieser Krankheit Rektalbiopsien, verwenden die Zellen, um personalisierte Darmorganoide herzustellen, und wenden dann ein potenzielles Medikament an. Wenn die Behandlung die Ionenkanäle öffnet, kann Wasser nach innen fließen und die Darmorganoide schwellen an. "Es ist ein Schwarz-Weiß-Test", sagt Clevers, der sich als schneller und billiger erweisen könnte, als bei Menschen Drogen zu probieren, um festzustellen, ob sie wirken.

Er hat das System bereits verwendet, um zu bewerten, ob ein Medikament namens Kalydeco (Ivacaftor) und 5 andere Mukoviszidose-Medikamente bei etwa 100 Patienten wirken werden. Mindestens zwei von ihnen nehmen jetzt Kalydeco ein.

Organoide können Ärzten auch dabei helfen, die besten Therapien für Menschen mit Krebs auszuwählen. Anfang dieses Jahres gab Clevers bekannt, dass er eine Reihe von Organoiden aus Zellen gezüchtet hatte, die aus kolorektalen Tumoren extrahiert worden waren, und David Tuveson, Krebsforscher am Cold Spring Harbor Laboratory in New York, arbeitete mit Clevers zusammen, um Pankreas-Organoide mithilfe von Biopsien von Menschen mit zu erzeugen Bauchspeicheldrüsenkrebs. In beiden Fällen könnten die Organoide verwendet werden, um Medikamente zu finden, die bei bestimmten Tumoren am besten wirken. "Was Patienten suchen, ist eine logische Herangehensweise an ihren Krebs", sagt Tuveson. "Ich bin sehr gespannt auf das, was wir lernen."

Der kleine Magen

Diese Aufregung teilt der Entwicklungsbiologe James Wells, der letztes Jahr berichtete, dass er und sein Team ein Organoid geschaffen hatten, das einem Teil eines menschlichen Magens ähnelte.

Wells begann mit einem anderen Rohstoff als Clevers, dessen Organoide aus adulten Stammzellen stammen, die nur eine begrenzte Anzahl von Zelltypen erzeugen können. Wells, der im Cincinnati Children’s Hospital Medical Center in Ohio arbeitet, und seine Kollegen stellen Organoide aus embryonalen Stammzellen her, die zu fast jedem Zelltyp werden können. Infolgedessen konnten sie komplexere Mini-Organe schaffen.

Vor einem Jahrzehnt versuchten Wells und seine Kollegen, menschliche embryonale Stammzellen zur Bildung von Darmzellen zu überreden. Als das Team zwei wichtige Signalwege manipulierte, produzierte die Zellschicht winzige runde Knospen. Wells bemerkte, dass diese „Sphäroide“Abschnitte des primitiven Darmrohrs nachahmten, das sich vier Wochen nach der Empfängnis bildet. Das war aufregend, denn er erkannte, dass er nun einen Ausgangspunkt hatte, um eine Vielzahl von Organoiden zu entwickeln. "Jedes Organ von Ihrem Mund bis zu Ihrem Anus - Speiseröhre, Lunge, Luftröhre, Magen, Bauchspeicheldrüse, Leber, Darm, Blase - alle stammen aus dieser sehr primitiven Röhre", sagt er.

Wells und seine Kollegen untersuchten die Literatur und ihre eigenen Erfahrungen, um festzustellen, welche chemischen Hinweise diese Darmschläuche auf dem Entwicklungsweg zu einem bestimmten Organ führen könnten. Mit dieser Strategie entwickelte das Team 2011 sein erstes menschliches Organoid, einen Darm von der Größe eines Sesams. Aber einen Magen wachsen zu lassen war eine größere Herausforderung. Beim Menschen hat das Organ zwei Schlüsselbereiche: den Fundus oben, der Säure produziert, und das Antrum zur Basis, das viele wichtige Verdauungshormone produziert - und die Signalwege, die zu einem gegen den anderen führen, waren unbekannt. Darüber hinaus „unterscheidet sich der menschliche Magen von den Mägen der meisten Tiere, die wir im Labor verwenden“, so dass es kein gutes Tiermodell gibt, sagt Kyle McCracken, ehemaliger Doktorand von Wells und jetzt Medizinstudent im Zentrum.

Die Forscher entschieden sich für einen Versuch-und-Irrtum-Ansatz: Sie machten einige fundierte Vermutungen und testeten sorgfältig verschiedene Kombinationen von Wachstumsfaktoren. Schließlich hat sich der Aufwand gelohnt. In einer Arbeit von 2014 enthüllten Wells und sein Team, dass sie Organoide hergestellt hatten, die dem Antrum ähnelten. Mit diesen als Modellsystem hat das Team den chemischen Auslöser herausgefunden, der zur Entwicklung eines Fundus führt. Jetzt arbeiten die Forscher daran, andere grundlegende Fragen zur Magenentwicklung und -physiologie zu beantworten, z. B. welche Faktoren die Säuresekretion regulieren, und sie versuchen, aus ihren primitiven Darmschläuchen andere Miniorgane zu erzeugen.

Diese neu entdeckte Fähigkeit, die menschliche Entwicklung zu untersuchen, begeistert Daniel St Johnston, einen Entwicklungsgenetiker am Gurdon Institute der Universität Cambridge. "Man kann tatsächlich beobachten, wie sich die Zellen organisieren, um komplizierte Strukturen zu bilden", sagt er - etwas, das in einem menschlichen Embryo unmöglich ist. Aber die meisten Organoide sind immer noch einzelne Gewebe, was das, was Entwicklungsbiologen lernen können, einschränkt, sagt er. "Es gibt bestimmte Fragen, die Sie nicht wirklich beantworten können, da sie von der Physiologie des gesamten Organismus abhängen."

Die Baby-Niere

Melissa Little hat mehr als ein Jahrzehnt damit verbracht, sich über die Komplexität der Niere zu wundern. "Bei einem Erwachsenen gibt es wahrscheinlich 25 bis 30 verschiedene Zelltypen, die jeweils unterschiedliche Aufgaben erfüllen", sagt sie. Röhrenstrukturen, sogenannte Nephrone, filtern Flüssigkeit aus dem Blut und produzieren Urin. Der umgebende Raum, Interstitium genannt, enthält ein kompliziertes Netzwerk von Blutgefäßen und die Wasserleitungen, die den Urin wegtragen.

Im Jahr 2010 versuchten Little und ihre Kollegen, embryonale Stammzellen in eine Vorläuferzelle zu verwandeln, aus der Nephrone entstehen. Drei Jahre lang versuchten sie verschiedene Kombinationen und Zeitpunkte von Wachstumsfaktoren. "Es hat wirklich viel Zeit gekostet, um Fortschritte zu machen", sagt sie. Aber schließlich landete das Team 2013 auf genau der richtigen Mischung. Wenig hatte nur versucht, nur die Vorläuferzellen zu produzieren. Aber als sie in die Schale schaute, sah sie zwei Zelltypen, die sich spontan wie in einem Embryo strukturierten. „Es gab einen Moment von‚ Oh wow. Ist das nicht erstaunlich? “, Sagt sie.

Dieses Organoid ähnelt eher einer embryonalen als einer erwachsenen Niere: Es besteht aus einer Mischung von Nephron-Vorläufern und den Zellen, aus denen Urinsammelkanäle entstehen. "Wenn Sie möchten, dass sie weiter reifen, liegt die Herausforderung wirklich darin", sagt Little. Deshalb hat ihr Team daran gearbeitet, eine anspruchsvollere Version mit Blutgefäßen und Interstitium zu entwickeln. Die Hoffnung ist dann, die Mini-Organe in Mäuse zu transplantieren, um zu sehen, ob sie reifen und Urin produzieren. "Ich bin ziemlich aufgeregt darüber, was wir bauen können", sagt Little.

Da die Niere eine Schlüsselrolle im Arzneimittelstoffwechsel und in der Ausscheidung spielt, ist Little der Ansicht, dass ihre Mini-Nieren nützlich sein könnten, um Arzneimittelkandidaten auf Toxizität zu testen, bevor sie klinische Studien erreichen. Und Forscher sagen, dass andere menschliche Organoide wie Herz und Leber in ähnlicher Weise verwendet werden könnten, um Arzneimittelkandidaten auf toxische Wirkungen zu untersuchen, was eine bessere Anzeige der Reaktion eines Organs bietet, als dies mit Standard-Gewebekulturen oder Tierversuchen möglich ist.

Michael Shen, ein Stammzellforscher an der Columbia University in New York, der ein Prostata-Organoid geschaffen hat, ist jedoch skeptisch, dass diese Modellsysteme Labortiere vollständig ersetzen könnten. Tiere können zeigen, wie eine Therapie das Immunsystem beeinflusst, was beispielsweise organoide Systeme derzeit nicht können. "Sie möchten in der Lage sein, Ihre experimentellen Ergebnisse in einem In-vivo-System zu validieren", sagt er. "Ich betrachte das als einen strengen Test."

Kleine Lebern

Takanori Takebe wurde inspiriert, nach einem kühlen Zauber in New York eine Leber zu züchten. Als Takebe 2010 in der Abteilung für Organtransplantation an der Columbia University arbeitete, starb er an Leberversagen aufgrund eines Organmangels. "Das war eine traurige Situation", sagt er. Als er sich mit Tissue Engineering befasste, glaubte er, dass die üblichen Methoden, Zellen auf ein künstliches Gerüst zu säen, zum Scheitern verurteilt zu sein schienen. Ein Teil des Problems, sagt er, ist, dass adulte Leberzellen sehr schwer zu züchten sind. "Wir können es nicht einmal ein paar Stunden in der Kultur halten."

Takebe, der eine Forschungsstelle an der Yokohama City University in Japan antrat, beschloss, an induzierten pluripotenten Stammzellen (iPS) zu arbeiten, adulten Zellen, die so umprogrammiert wurden, dass sie sich wie embryonale Stammzellen verhalten. Er brachte menschliche iPS-Zellen dazu, Leberzellvorläufer oder Hepatoblasten zu bilden. Im Embryo sind Hepatoblasten auf eine komplexe Symphonie von Signalen anderer nahegelegener Zellen angewiesen, um zu reifen, und Takebe vermutete, dass diese Stützzellen auch notwendig wären, um eine Leber in einer Schale zu entwickeln. Er und seine Kollegen mischten Hepatoblasten mit solchen Zellen - sogenannten mesenchymalen und Endothelzellen - und es funktionierte. Dem Team gelang es, „Leberknospen“zu schaffen, Strukturen, die nicht größer als eine Linse sind und der Leber eines sechs Wochen alten menschlichen Embryos ähneln. Die Forscher stellten fest, dass solche Strukturen im Gegensatz zu reifen Leberzellen bis zu zwei Monate in Kultur überleben können.

Eine Leberknospe ist noch weit entfernt von einer ganzen Leber - einem kräftigen, mehrlappigen Organ, das aus zig Milliarden Hepatozyten besteht. Aber Takebe hofft, dass er, wenn er viele tausend Knospen in ein versagendes Organ infundieren kann, möglicherweise genug von seiner Funktion retten kann, um eine Transplantation unnötig zu machen. Der Prozess scheint bei Mäusen zu funktionieren. Als Takebe und seine Gruppe ein Dutzend Knospen in den Bauch von Mäusen transplantierten, sahen sie dramatische Auswirkungen. Innerhalb von zwei Tagen hatten sich die Knospen mit der Blutversorgung der Maus verbunden und die Zellen entwickelten sich zu reifen Leberzellen, die leberspezifische Proteine ​​herstellen und Medikamente metabolisieren konnten. Um ein Leberversagen nachzuahmen, löschte das Team die natürliche Leberfunktion der Tiere mit einem giftigen Medikament aus. Nach einem Monat waren die meisten Kontrollmäuse gestorben, aber die meisten, die Leberknospentransplantationen erhielten, hatten überlebt.

Takebe und sein Team hoffen, in vier Jahren mit Versuchen am Menschen beginnen zu können. "Wir werden die Kinder ansprechen, die dringend eine Lebertransplantation benötigen", sagt er. Derzeit arbeiten er und seine Kollegen daran, die Leberknospen kleiner zu machen und sie in großen Mengen zu produzieren, die sie durch die große Pfortader, die die Leber ernährt, infundieren können. Takebe hält die Timeline für „machbar“. Aber Smith sagt, dass der Prozess überstürzt zu sein scheint und dass die grundlegende Biologie dieser Organe gut verstanden werden muss, bevor sie in der Klinik verwendet werden. "Es ist wie Laufen, bevor man laufen kann", sagt er.

Biologen wissen, dass ihre Mini-Organe immer noch eine grobe Nachahmung ihrer lebensgroßen Gegenstücke sind. Aber das gibt ihnen etwas zu zielen, sagt Anthony Atala, Direktor des Wake Forest Instituts für Regenerative Medizin in Winston-Salem, North Carolina. "Das langfristige Ziel ist, dass Sie immer mehr Funktionen eines menschlichen Organs nachbilden können." Das Gebiet hat bereits Entwicklungsbiologen, Stammzellbiologen und klinische Wissenschaftler zusammengebracht. Ziel ist es nun, ausgefeiltere Organe zu bauen, die größer sind und mehr Zelltypen integrieren.

Und Wells sagt, dass selbst die heutigen rudimentären Organoide Entdeckungen ermöglichen, die in einem Tiermodell, in dem die molekularen Signale schwer zu manipulieren sind, schwierig gewesen wären. "In einer Petrischale ist es einfach", sagt er. "Wir haben Chemikalien und Proteine, die wir einfach auf diese Zellen werfen können."

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