Organoide - Info

Überblick

Was sind Organoide?

Organoide sind von Stammzellen abgeleitete 3D-Gewebemodelle die strukturelle und physiologische Ähnlichkeit zu echten Organen aufweisen. Sie bestehen aus verschiedenen Zelltypen und werden meist in einer gelartigen Matrix kultiviert, die für das Zellwachstum wichtige Proteine und mehrwertige Zuckerverbindungen enthält, um die natürliche extrazelluläre Matrix (ECM) abzubilden. Durch Zugabe verschiedener Wachstumsfaktoren können sich die Stammzellen in unterschiedliche Zelltypen ausdifferenzieren und ein Netzwerk von Gefäßen, Muskelzellen und Bindegewebe bilden. Dadurch werden die Limitationen einer klassischen 2D Zellkultur überwunden, die nur aus einem Zelltyp besteht und sich lediglich zweidimensional anordnet.

Wie züchtet man Organoide?

Organoide werden aus adulten (ASC), embryonalen (ESCs) oder induzierten pluripotenten Stammzellen (iPSCs) gezüchtet. Zusätzlich können Organoide aus Tumorzellen kultiviert werden.

Für die Kultivierung aus iPSCs werden diese zunächst getrennt voneinander in den gewünschten Zelltyp ausdifferenziert durch Zugabe bestimmter Wachstumsfaktoren. Die ausdifferenzierten Zellen werden dann anschließend zusammengeführt und ko-kultiviert, damit sie sich von selbst in Organoide zusammensetzen können. Dafür werden die Zellen in eine basalmembranartige Matrix eingebettet, die dem Organoid eine dreidimensionale Wachstums-Nische bietet.

Alternativ können Organoide auch außerhalb einer Gelmatrix kultiviert werden z.B. mit Hilfe der Hanging-Drop-Methode bei der die Organoide in einem Medium Tropfen auf der Unterseite einer Zellkulturplatte hängen. Durch die Oberflächenspannung des Tropfens verweilen die Organoide innerhalb des Tropfens und können so einfacher von ihrem Wachstumsmedium getrennt werden.

Eine weitere Methode stellen Organoid-Chips dar, bei der die Organoide in kontrollierten und kontinuierlichen Flüssigkeitsstrom kultiviert werden.

Anwendungsmöglichkeiten von Organoiden

Modelle für genetische Erkrankungen

Organoide können Organe in vitro nachbilden und genetische Krankheiten modellieren. Die Kombination mit Gen-Editing-Technologien wie CRISPR-Cas9 ermöglicht tiefere Einblicke in die Ursachen und Behandlungsmöglichkeiten genetischer Krankheiten.

Erforschung von Infektionskrankheiten

Organoide bieten menschliche Modelle zur Erforschung von Infektionskrankheiten. Sie ermöglichen das Studium von Viren wie Zika, Norovirus, Hepatitisviren und SARS-CoV-2 sowie Bakterien und Parasiten. Organoide erlauben es, die Interaktionen zwischen verschiedenen Zelltypen und Geweben sowie die Reaktionen auf Infektionen und Immunantworten in einer komplexen Umgebung zu untersuchen während bei einer 2D Zellkultur nur ein Zelltyp untersucht werden kann. Diese 3D-Modelle unterstützen die Erforschung von Krankheitsmechanismen, die Entwicklung neuer Therapien und das Verständnis der Tumorentstehung durch Infektionen.

Modelle für Stoffwechselkrankheiten

Adipose Organoide ermöglichen das Studium von Fettstoffwechsel und Adipositas. Mit Hilfe von Leber Organoiden können die Mechanismen von Fettablagerungen in der Leber und der Entwicklung von Fettlebererkrankungen, einschließlich der Auswirkungen von Ernährung und Medikamenten untersucht werden. Dadurch können tiefere Einblicke in die Erkrankung gewonnen werden um neue Therapie Möglichkeiten zu entwickeln.

Untersuchung von Krebserkrankungen

Tumormodelle wie Zelllinien und vom Patienten stammende Xenotransplantate (PDX) haben Einschränkungen, da sie Tumorheterogenität und genetische Vielfalt nicht vollständig widerspiegeln. Organoide hingegen erhalten die 3D-Struktur und genetische Merkmale von Tumoren besser. Sie ermöglichen die Untersuchung von Tumorentwicklung, Metastasen und Immuntherapien, bieten realistischere Modelle für die Forschung und ermöglichen präzisere Vorhersagen für die Wirksamkeit von Behandlungen.

Entdeckung und Entwicklung von Arzneimitteln

Organoide bieten einzigartige Vorteile in der Medikamentenforschung, da sie die physiologischen Funktionen von Organen nachbilden können. Sie ermöglichen die Entdeckung neuer Medikamente und die vor allem Bewertung von Arzneimitteltoxizität. Dies führt zu den realistischeren Ergebnissen als bei 2D-Zellkulturen. Darüber hinaus können Arzneimittel im Hochdurchsatzverfahren getestet werden, was zu einer erheblichen Zeitersparnis und Effizienzsteigerung führt.

Personalisierte Medizin

Organoide können aus Patientenproben hergestellt werden, wodurch Forscher spezifische Krankheiten auf individueller Basis untersuchen können. Dies fördert die personalisierte Medizin und ermöglicht die Entwicklung von maßgeschneiderten Behandlungsstrategien.

Organoide – Ersatz für Tierversuche?

Der klassische Weg um Krankheiten zu erforschen erfolgt über geeignete Tiermodelle, allerdings sind Tierversuche mit einem großen bürokratischen Aufwand verbunden. Dies dient vor allem zum Schutz der Tiere. Seit Einführung des 3R Prinzips (Reduce, Refine, Replace) werden Tierversuche stärker reguliert und erfordern intensivere Prüfungen seitens der zuständigen Behörden um die Tiere vor verzichtbaren Versuchen zu bewahren.

Aufgrund dessen sind Organoide eine gute Möglichkeit um Medikamente in der präklinischen Phase auf Wirkung und Toxizität zu prüfen. Sie geben mehr Aufschluss über die Wirkung des Medikaments als herkömmliche 2D-Zellkulturen, da sie physiologisch menschlichen Organen stark ähneln und sie könnten auch zur Prüfung der Toxizität und Pharmakokinetik genutzt werden. Allerdings sind Organoide zum aktuellen Zeitpunkt nur ergänzend zu Tierversuchen zugelassen, da noch keine Standardisierung und Validierung von Organoiden stattgefunden hat, die eine Reproduzierbarkeit von Ergebnissen gewährlisten würde.

Produkte für die Forschung mit Organoiden: