Aufstieg der Mini-Organe

Dies ist der 16. Artikel von Roger Highfield über die Wissenschaft hinter dem Coronavirus, welcher ursprünglich am 06.07.2020 veröffentlicht wurde. Sofern verfügbar, wurden Informationen für die Schweiz von focusTerra, ETH Zürich, hinzugefügt und entsprechend gekennzeichnet. Die Übersetzung ins Deutsche erfolgte durch focusTerra.

Wie können diese "Mini-Organe" die Pandemie bekämpfen?

Menschliche und tierische Organoide erweisen sich als wertvoll, weil man sie mit SARS-CoV-2 infizieren kann, das wie andere hoch ansteckende Viren über die Luft übertragen wird. So kann man die Biologie der Viren besser verstehen lernen, von der Art und Weise, wie sie die Lunge bis zu den anderen Organen infizieren.

Besser als mit Organoiden können sich Forschende den Auswirkungen einer Krankheit auf Gewebe ausserhalb der Untersuchung von Menschen nicht nähern. Zusätzlich bieten sie eine nützliche Zwischenstation zwischen der Untersuchung einzelner Zellen und der Untersuchung von Menschen.

Mit diesem Ansatz konnte gezeigt werden, externe Seite wie das Zika-Virus Mikrozephalie verursachte, einen Geburtsfehler, bei dem zum Beispiel der Kopf eines Babys kleiner ist als erwartet.

Im Fall von COVID-19 haben externe Seite Kolleginnen und Kollegen auf der ganzen Welt damit untersucht, wie das Virus Gewebe infiziert, vielversprechende Medikamente identifiziert und sogar Organoide auf der Grundlage des Gewebes von Fledermäusen, der wahrscheinlichen Quelle des Virus, hergestellt, um zu verstehen, wie das Virus zwischen den Arten springt.

Unsere Daten deuten darauf hin, externe Seite dass menschliche Organoide genaue und zuverlässige experimentelle Modelle zur Untersuchung der Biologie von Coronaviren darstellen.

Wie stellt man ein Organoid her?

Es gibt zwei Organoid-Technologien, die beide vor etwas mehr als zehn Jahren entstanden sind und mit denen man echte Kopien von echten Organen herstellen kann.

Beide gehen von Stammzellen aus, die "Eltern" anderer Zelltypen im Körper sind und die – wenn man die richtigen Bedingungen nachahmt – zum Aufbau eines Organs verwendet werden können.

Bei einem Ansatz nimmt man eine Zelle aus einem frühen Embryo, eine so genannte embryonale Stammzelle, oder, einfacher, man nimmt eine erwachsene Zelle, wie eine Hautzelle, und macht sie durch genetische Veränderung wieder embryonal (letztere werden induzierte pluripotente Stammzellen oder iPS-Zellen genannt, und externe Seite ihre Entwicklung 2006 führte 2012 zu einem Nobelpreis für externe Seite Shinya Yamanaka).

Die Schwierigkeit besteht darin, Wege zu finden, diese Stammzellen zur Differenzierung, d.h. zur Umwandlung in andere Zelltypen, zu dreidimensionalen Organoiden zu bewegen.

Zuerst lässt man sie zu einem Klumpen wachsen, den man Embryoidkörper nennt, dann führt man sie durch die normalen Entwicklungsschritte. Tatsächlich schränkt man immer weiter ein, was aus ihnen werden kann, und man treibt sie dazu, ein externe Seite Gehirn, eine Niere, eine Lunge oder was auch immer zu werden.

Man muss Wege finden, um die komplizierten Signale – wie Wachstumsfaktoren – nachzuahmen, die während der normalen Entwicklung im Körper entstehen. Das sind komplexe Vorgänge, und im Falle des menschlichen Gehirns kann es neun Monate dauern, bis ein winziger Teil hergestellt ist.

Man kann auch Stammzellen aus adultem Gewebe isolieren und genau das macht mein Team.

Wir haben viele Arten von adulten Stammzellen, die während der Entwicklung eines Organs entstehen. Sie erhalten die Organe im Körper, und wenn sie überaktiv werden, bekommt man Krebs, während das Altern mit einer Unteraktivität verbunden ist – man kann sich das Altern als eine Stammzellenkrankheit vorstellen.

Unsere Technologie geht von einem kleinen Stück Darm, Haut, Lunge oder Leber aus. Wir tauchen sie in ein Gel, Matrigel genannt, das die normale Umgebung der Zellen nachahmt, und geben ihnen den richtigen Satz Wachstumsfaktoren.

Mit dem richtigen Gleichgewicht und den richtigen Zeiten verhalten sich die Stammzellen so, als ob sie das Gewebe erhalten würden. Wenn man also die Stammzellen zum Beispiel aus Därmen entnimmt, erhält man fantastische Mini-Därme, die ewig wachsen.

Wie gross kann man ein Mini-Organ wachsen lassen?

Wenn es um die Verwendung von iPS oder embryonalen Stammzellen geht, gibt es nach der Entstehung des embryonalen Körpers nur eine sehr geringe Zunahme der Masse. Aber wenn man Organoide aus adulten Stammzellen züchtet, dann produzieren sie immer weitere Zellen und können jahrelang wachsen.

Beides wird jedoch durch die Menge an Sauerstoff und Nährstoffen begrenzt, die zu den Zellen innerhalb des Organoids gelangen kann – man benötigt Blutgefässe, ein pumpendes Herz und Lungen, die mit dem Blut verbunden sind, um es mit Sauerstoff zu versorgen. Bioingenieure wollen dazu verschiedene Organoide auf einem Chip erzeugen, aber das ist mehr Traum als Wirklichkeit.

Nehmen wir zum Beispiel die Organoide des Darms. Wie der echte Darm sind sie hohl, und schliesslich haben wir einen Ballon von Zellen, die bis zu einem Millimeter oder so gross werden können, obwohl es keine wirkliche Grenze gibt. Mit dem blossen Auge sind sie als weisse Punkte sichtbar.

Bei soliden Organen, wie Mini-Gehirnen und Mini-Nieren aus iPS-Zellen, kann man sie ein oder zwei Millimeter wachsen lassen, aber darüber hinaus beginnen die Zellen in der Mitte abzusterben, weil sie nicht genügend Sauerstoff und Nährstoffe erhalten.

Trotzdem ist es erstaunlich, in welchem Ausmass sie sich selbst organisieren können, um Strukturen zu bilden, die man in einem realen Körper sieht.

Spielt die geringe Grösse der Organoide eine Rolle?

Sie können die wesentlichen Merkmale eines Darms, einer Leber, einer Lunge oder was auch immer in winzigen Organoiden zusammenfassen, da Organe oft aus sich stark wiederholenden Bausteinen bestehen.

Die Leber zum Beispiel enthält eine Million Strukturen, Läppchen genannt, die im Wesentlichen gleich sind. Wenn Sie zehn wachsen lassen, gewinnen Sie nicht viel mehr, wenn Sie zehn Millionen wachsen lassen.

Im Darm gibt es kleine Hohlräume, Krypten genannt, und winzige Vorsprünge, Zotten genannt, die sich im Darm nur wenig unterscheiden. Aber Sie haben keine Blutgefässe und Nerven. Der Grund dafür ist, dass es drei grundlegende Zelltypen gibt:

1. Die Darmorganoide werden aus sogenannten Endodermzellen gezüchtet.
2. Die Organoide des Nervensystems stammen vom Ektodermtyp ab.
3. Die Organoide des Kreislaufsystems stammen vom Mesodermtyp.

Man kann auch menschliche Atemwegsorganoide züchten, die mit vier Schlüsselzelltypen ausgekleidet sind – Flimmerzellen, Becherzellen, Keulenzellen und Basalzellen – und Strukturen, wie z.B. die Luftsäcke im Lungengewebe.

Das Gehirn ist jedoch immens komplexer als jedes andere Organ. Jede Region kommt nur einmal vor, auf jeder Seite, und Tausende verschiedener Funktionen werden jeweils von einer eigenen, einzigartigen Region unterstützt.

Wenn man von "Mini-Hirn" spricht, muss man daran denken, dass es schwer zu kontrollieren ist, was man herstellt, ob Hirnstamm oder Kortex.

Wie verändern Organoide die Virologie?

Immer wenn eine neue Infektionskrankheit auftritt, setzen Virologen Zelllinien – typischerweise Krebszellen von einem Affen oder menschlichen Ursprungs – Abstrichen und anderen Proben von Patienten aus und suchen dann nach Beweisen für eine Virusvermehrung. Virologen verwenden zum Beispiel oft "Vero-Zellen", eine grüne Affen-Nierenzelle.

Dies ist jedoch kein gutes Modell für die SARS-CoV-2-Infektion, denn Zelllinien ahmen nicht nach, was im Körper passiert: Wenn man diese Zelllinien in den Körper transplantiert, erhält man einen Tumor, während sie bei der Transplantation eines Organoids zum Gewebe eines Organs beitragen.

Dies ist auch ein Versuch-und-Irrtum-Ansatz, denn der menschliche Körper enthält externe Seite viele hundert verschiedene Zelltypen, und einige sind anfälliger als andere.

externe Seite Mary Estes und Kolleginnen und Kollegen in Texas waren die ersten, die in ihren Studien über Noroviren, die Erbrechen und akute Gastroenteritis verursachen, das Potenzial von Organoiden in der Virologie aufzeigten. Bis zu ihrer Arbeit konnten diese Viren im Labor weder mit Vero-Zellen noch mit irgendeiner anderen Zelllinie gezüchtet werden.

Mit Hilfe von Darmorganoiden fanden sie heraus, dass das Virus Darmenterozyten infiziert, einen Zelltyp, der in Darmzelllinien fehlt, aber in Darmorganoiden vorhanden ist.

Im Falle dieses Virus bindet eine Proteinspitze auf seiner Oberfläche an menschliche Zellen über einen Andockpunkt, der als Rezeptor bezeichnet wird, in diesem Fall als ACE2, der auf ein menschliches Hormon namens Angiotensin reagiert. Einige Zellen haben mehr ACE2-Rezeptoren als andere.

Wie wirkt das Coronavirus auf das Lungengewebe?

externe Seite Kazuo Takayama an der Universität Kyoto, Japan, und sein Team haben Bronchialorganoide mit vier Zelltypen entwickelt und festgestellt, dass das Virus hauptsächlich auf die Stammzellen abzielt, die die Zellen in der Auskleidung wieder auffüllen, die so genannten Basalzellen.

Anhand von Lungenorganoiden externe Seite hat Shuibing Chen von Weill Cornell Medicine in New York gezeigt, dass das Virus die Produktion von Proteinen, sogenannten Chemokinen und Zytokinen, hervorruft, die eine massive Immunreaktion auslösen können, die als Zytokinsturm bezeichnet wird und tödlich sein kann.

Was können uns Organoide darüber sagen, wie sich das Coronavirus im Körper ausbreitet?

SARS-CoV-2 verursacht Influenza-ähnliche Symptome, die von einer leichten Erkrankung bis hin zu schweren Lungenverletzungen reichen, doch es befällt auch andere Organe, insbesondere den Magen-Darm-Trakt und die Niere. Bis zur Verwendung von Organoiden war nicht klar, ob dieser Schaden direkt durch das Virus verursacht wird oder eine Komplikation, die durch die Reaktion des Körpers auf die Infektion verursacht wird.

Drei Teams – externe Seite darunter auch mein eigenes – untersuchten mit menschlichen Darmorganoiden, ob sich das neue Coronavirus im Magen-Darm-Trakt etablieren konnte.

Der Grund dafür ist, dass die dortigen Zellen eine hohe Konzentration des ACE2-Rezeptors aufweisen, den das Virus zum Eindringen in die Zellen verwendet, und das virale genetische Material wird regelmässig in Analabstrichen, Stuhl und Abwasserkanälen gefunden (letztere können externe Seite zur Überwachung des Geschehens in einer Population verwendet werden).

Alle drei Studien berichteten, dass der häufigste Zelltyp des Darmepithels (der Darmschleimhaut), die Enterozyte, leicht infiziert werden kann, was darauf hindeutet, dass der Darm ein potenzieller Ort der SARS-CoV-2-Replikation ist.

Unter anderem enthielten diese Enterozyten bestimmte Enzyme, Proteasen genannt (TMPRSS2 und TMPRSS4), die dem Virus halfen, in die Zellen einzudringen.

Obwohl der Magen sauer ist und Verdauungsenzyme enthält, glauben wir, dass das COVID-19-Virus durch tote Zellen und Schleim geschützt werden kann, um von den Atemwegen in den Darm zu gelangen.

Wir haben festgestellt, dass das Virus den Darm erschreckend gut infiziert hat. Meinem Sohn, der auf einer Krankenhausstation arbeitet, fiel auf, wie viele COVID-19-Patienten vor der Atemwegserkrankung Magenschmerzen, Übelkeit und Durchfall hatten.

Ein Team unter der Leitung von Joseph Penninger von der University of British Columbia und dem Institut für Molekulare Biotechnologie in Wien externe Seite zeigte anhand von Blutgefässorganoiden, dass SARS-CoV-2 das Endothel – die Zellen, die die Blutgefässe auskleiden – infizieren kann, um im Körper zu zirkulieren.

Das Virus steht in Zusammenhang mit der Gerinnung, der Blutgerinnung, die ein wichtiger Faktor für die rasche Verschlechterung und den Tod bei älteren und anfälligen Patienten sein könnte.

Man versteht noch nicht, wie das Virus dies macht, aber wahrscheinlich steht es in Zusammenhang mit den Veränderungen, die es in den Endothelzellen, in den Blutgefässwänden verursacht, um die Gerinnung zu bewirken, und die entstehenden Gerinnsel können sich im Körper bewegen, zum Beispiel ins Gehirn.

Das Virus externe Seite könnte auch direkt Nierenorganoide infizieren. Dies könnte den Verlust der Nierenfunktion bei schwerkranken Personen erklären.

Eine andere Studie über Leberorganoide an der Fudan-Universität in Shanghai ergab, externe Seite dass das Virus Zellen infizieren und abtöten kann, die zur Gallenproduktion beitragen, die so genannten Cholangiozyten.

Zuvor hatten Forschende vermutet, dass die bei Menschen mit COVID-19 festgestellten Leberschäden durch eine überaktive Immunantwort oder durch Nebenwirkungen von Medikamenten verursacht wurden.

Schliesslich weisen einige Berichte darauf hin, dass 30-60% der Patienten mit COVID-19 unter dem Zentralnervensystem leiden, und verschiedene Studien deuten darauf hin, externe Seite dass das Virus Hirnorganoide infizieren kann. Wenn es die Blut-Hirn-Schranke überwindet, was für ein Virus nicht einfach ist, könnte es Hirngewebe infizieren.

In Leicester wurde eine 8.4 Millionen Pfund teure Forschungsstudie externe Seite über die langfristigen Auswirkungen von COVID-19 auf die Gesundheit von 10'000 hospitalisierten Patienten gestartet, während Adrian Owen an der University of Western Ontario externe Seite eine grosse Online-Umfrage über die Auswirkungen von COVID-19 auf die Kognition durchführt:

"Während die Menschen beginnen, sich von COVID-19 zu erholen, sehen wir, dass immer mehr von ihnen mit kognitiven Herausforderungen wie Gedächtnis-, Konzentrations- und Problemlösungsproblemen zu kämpfen haben", sagte Owen.

"Wir wollen herausfinden, ob diese Probleme durch direkte virale Auswirkungen auf das Gehirn selbst oder durch indirekte Auswirkungen aufgrund von Entzündungen, Blutgerinnseln, niedrigem Sauerstoffgehalt, Sedierung und dem Verbringen von Zeit an einem Beatmungsgerät verursacht werden."

Können Sie potenzielle COVID-19-Medikamente an Organoiden testen?

Ja, Organoide können zum Testen potenzieller COVID-19-Therapien verwendet werden.

Wir haben bereits herausgefunden, externe Seite welche Mukoviszidose-Patienten auf ein teures neues Medikament ansprechen, ein Ansatz, der auch bei Krebstherapien angewandt wird, externe Seite bei denen ein Tumororganoid aus dem Gewebe eines Patienten gezüchtet wird, um zu sehen, wie sie in der Klinik auf die Medikamente ansprechen werden. Es ist unglaublich vorhersagbar, aber es ist teuer, langsam und kann Wochen dauern.

Im Fall von COVID-19 untersuchte Shuibin Chen von Weill Cornell Medicine, New York, rund 1.200 Medikamente und stellte fest, externe Seite dass die Krebsmedikamente Imatinib und Mycophenolsäure SARS-CoV-2 in Lungenorganoiden unterdrücken.

Bei menschlichen Bronchialorganoiden reduzierte die Behandlung mit dem Medikament Camostat die Virusmenge, so externe Seite eine Studie von Kazuo Takayama von der Universität Kyoto und Kolleginnen und Kollegen.

Unterdessen zeigten Jan Münch vom Universitätsklinikum Ulm, Deutschland, und Kolleginnen und Kollegen, dass Remdesivir, eines der vielversprechenderen Medikamente zur Behandlung von COVID-19, externe Seite die SARS-CoV-2-Infektion in Darmorganoiden unterdrückte.

Wie können Organoide sonst zur Behandlung von COVID-19 eingesetzt werden?

Was ich von Kliniken und Patientenorganisationen höre, ist, dass die durch das Coronavirus verursachten Lungenschäden auffällig sind und im Gegensatz zu anderen Viren langfristige Atemwegsprobleme verursachen.

Wir sind Teil eines grossen internationalen Konsortiums, zu dem auch externe Seite Paolo de Coppi vom Great Ormond Street Hospital gehört, um zu prüfen, ob wir Stammzellen, auch in Form von Organoiden, zum Beispiel von Strukturen in der Lunge, den so genannten Alveolen, verwenden können.

Im externe Seite Labor von Hans Snoeck am Columbia University Medical Center in New York City wurden Lungenorganoide gezüchtet, die, wenn sie von Mäusen mit Lungenschäden eingeatmet wurden, funktionierendes Gewebe wiederherstellten. Natürlich ist dies nur bei Mäusen der Fall, und für eine Transplantation bräuchte man viele Mini-Organe.

Was ist mit Fledermaus-Organoiden?

Im Zuge der SARS-Epidemie wurden zahlreiche verwandte Coronaviren in Kotproben oder Analabstrichen chinesischer Hufeisenfledermäuse identifiziert, aber wir haben keine Möglichkeiten gefunden, sie im Labor mit Fledermauszellen zu züchten.

Aufgrund der Ähnlichkeit von SARS-CoV-2 mit Coronaviren in Hufeisenfledermäusen haben Kwok Yung Yuen von der University of Hong Kong, Hongkong, China, und Kolleginnen und Kollegen Darmorganoide aus der Hufeisenfledermausart Rhinolophus sinicus hergestellt.

Diese sind leicht mit SARS-CoV-2 infizierbar, und es wird interessant sein, externe Seite die Fledermausorganoide zur erneuten Untersuchung dieser Viren zu verwenden, um sie besser zu verstehen.

Sind andere Spezies für die Herstellung von Organoiden von Interesse?

Das Armamentarium der Virologie muss möglicherweise um Atemwegs- und Darmorganoide erweitert werden, die von anderen mit Coronaviren infizierten Spezies wie Zibet- und Schuppentiere stammen. Ein solcher Ansatz wird die Auswirkungen der Coronavirus-Forschung auf diese gefährdeten Arten minimieren und kann uns besser auf eine nächste Pandemie vorbereiten.

Was sind die Grenzen dessen, was man mit Organoiden tun kann?

Es werden komplexere Organoide benötigt, um zu verstehen, wie das SARS-CoV-2-Virus mit dem Immunsystem des Körpers interagiert.

Im Allgemeinen spiegeln Studien über das Virus in Organoiden nicht die Interaktion zwischen Organen wider, die im Körper stattfindet, was bedeutet, dass wichtige Erkenntnisse noch in Tier- und Patientenstudien validiert werden müssen.

Wie kann ich mehr erfahren?

Das jüngste Bild, wie weit sich die Pandemie ausgebreitet hat, ist auf den Webseiten des externe Seite Johns Hopkins Coronavirus Resource Center oder dem externe Seite Robert Koch-Institut zu sehen.

Sie können die Zahl der externe Seite im Labor bestätigten COVID-19-Fälle und Todesfälle im Vereinigten Königreich sowie die Zahlen des externe Seite Office of National Statistics einsehen.

Weitere Informationen finden Sie in meinen früheren Blogeinträgen, beim externe Seite UKRI, bei der externe Seite EU, den externe Seite US Centers for Disease Control, der externe Seite WHO, auf diesem externe Seite COVID-19-Portal und auf externe Seite Our World in Data.

Anmerkung:

Neuigkeiten Schweiz

Die momentane Anzahl der Coronavirus-Fälle in der Schweiz kann auf der externe Seite Webseite des Bundesamts für Gesundheit abgerufen werden. Auch die Webseite des Schweizer Radio und Fernsehens (SRF) bietet eine gute und laufend aktualisierte externe Seite Übersicht zu diversen Daten sowie externe Seite Antworten auf die häufigsten Fragen im Zusammenhang mit COVID-19.

Die SwissCovid App, über deren Funktionsweise und Entwicklung im Artikel 8 verschiedene Anmerkungen und weiterführende Links zu finden sind, kann nun für externe Seite Android und externe Seite iPhones heruntergeladen werden. Während die App externe Seite Anfang Juli bereits von über einer Million Menschen aktiv genutzt wurde, sank die Anzahl aktiver Nutzungen ab Ende der zweiten Juliwoche auf rund 966'000 am 14. Juli 2020. Als Grund dafür wird unter anderem die externe Seite fehlende Kompatibilität der SwissCovid App mit deren anderer europäischer Länder im Zusammenhang mit dem Sommerferienbeginn vermutet. Mehr Informationen rund um die App finden sich in diesem externe Seite Artikel von SRF und diesem ständig aktualisierten externe Seite NZZ-Artikel.