Molly arbeitet Tag und Nacht. Nur ein leises Surren, und präzise bewegt ihr Greifarm Zellplatten von Station zu Station. Über feine Pipettenspitzen werden die winzigen Gewebestrukturen mit Nährlösungen versorgt. Kein Handgriff ist zufällig, jede Bewegung sitzt. Bis zu 40.000 Mini-Organe kann Molly in einem Monat herstellen: kleine Modelle von Darm, Niere oder Herz, oft kleiner als ein Stecknadelkopf.
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Mini-Organe für die Medizin der Zukunft
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Im Labor des Helmholtz-Zentrums für Infektionsforschung (HZI) in Braunschweig gehört diese Arbeit längst zum Alltag. Denn Molly ist keine Wissenschaftlerin, sondern ein Zellkulturroboter. Gemeinsam mit dem Team um Dr. Kristin Metzdorf züchtet sie sogenannte Organoide – künstlich erzeugte organähnliche Strukturen, die der Medizin und Infektionsforschung völlig neue Möglichkeiten eröffnen. An ihnen untersuchen Forschende, wie Viren und Bakterien menschliches Gewebe angreifen, wie Immunzellen reagieren und warum manche Menschen Krankheitserreger besser abwehren als andere. Solche Untersuchungen starten zunächst in der klassischen Zellkultur, also in einer Petrischale mit Zellen eines bestimmten Gewebes. Schnell ist hier aber die Grenze des Möglichen erreicht, denn im menschlichen Körper arbeiten viele Zelltypen zusammen, die zudem unter dem Einfluss des Immunsystems stehen. Da dieses komplexe Zusammenspiel nicht in der Zellkultur abgebildet werden kann, mussten die nächsten Schritte bisher im Tiermodell erfolgen – doch nun schließen Organoide diese Lücke.
Wie vollwertige Herzen, Lungen oder Gehirne dürfe man sich die Organoide aber nicht vorstellen, erklärt Kristin Metzdorf: „Organoide sind keine vollständigen Organe, sondern sie bilden organähnliche Strukturen ab. Beim Darm zum Beispiel haben die unterschiedlichen Abschnitte wie Dünn- und Dickdarm auch unterschiedliche Aufgaben, und wir können ein Organoid züchten, das eher dem Dünndarm ähnelt oder eher dem Dickdarm.“
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Um Organoide zu züchten, nutzen die Forschenden sogenannte pluripotente Stammzellen – das sind Zellen, die noch alle Bauinformationen in ihrem Erbgut tragen und sich zu fast allen Zelltypen entwickeln können. Mithilfe bestimmter Wachstumsfaktoren lenken die Forschenden sie dann in die Entwicklung einer gewissen Organstruktur. Anschließend können die gezüchteten Organoide unter Hochsicherheitsbedingungen zum Beispiel mit Mpox-Viren, SARS-CoV-2 oder dem Tuberkulose-Erreger Mycobacterium tuberculosis infiziert werden. „Organoide lassen sich sehr lange kultivieren. So können wir uns Infektionsverläufe und Behandlungsmöglichkeiten an menschlichem Gewebe anschauen“, sagt Metzdorf. „In den dreidimensionalen Mini-Organen verhalten sich Zellen eher wie im menschlichen Körper: Sie organisieren sich räumlich, senden Signale und reagieren auf Angriffe von Krankheitserregern viel realistischer als in flachen Zellschichten.“
Noch können Organoide das Zusammenspiel mit dem Immunsystem nicht nachbilden, Tierversuche aber immerhin schon reduzieren. Ihre große Stärke liegt in der hohen Reproduzierbarkeit, die die Automatisierung mit sich bringt. „Molly zieht ihre Arbeit rund um die Uhr durch und kann dabei einen hohen Durchsatz mit sehr großer Genauigkeit erreichen. Damit gewährleistet sie die Vergleichbarkeit der Organoide, die für spätere Analysen essenziell ist“, sagt Kristin Metzdorf. Dass Molly ihre Routinearbeiten stabil erledigen kann, klappte nicht auf Anhieb. Dazu musste sie zunächst ausgiebig trainiert werden und die korrekte Ausführung auch mithilfe künstlicher Intelligenz lernen. „Mollys Kinderkrankheiten und ihre Pubertät haben wir inzwischen überstanden“, sagt Metzdorf. „Jetzt nimmt sie uns viele auch körperlich belastende Arbeiten wie lange Pipettierprotokolle ab, sodass wir mehr Zeit für Auswertungen und die Entwicklung komplexerer Organoide haben.“
Ein wichtiges Ziel am HZI ist die personalisierte Medizin, denn auch aus Patientenproben isolierte Zellen lassen sich zur Organoidbildung anregen. Eines dieser Projekte ist MARITH, kurz für „Mapping Recall Immunity in Human Tonsil Organoids Across Viral Histories“, das das HZI-Team gemeinsam mit dem MRC–University of Glasgow Centre for Virus Research und der Medizinischen Hochschule Hannover (MHH) angeht. Die Forschenden wollen Organoide aus Zellproben der Rachenmandeln (Tonsillen) von Spender:innen herstellen und daran die Entstehung des Immungedächtnisses bei Menschen erforschen. Dass sich unser Immunsystem charakteristische Bestandteile von Krankheitserregern merkt, wenn sie in den Körper eindringen, und dann Gedächtniszellen für spätere Kontakte bildet, ist schon lange bekannt. Warum aber dieses Immungedächtnis bei manchen Menschen eine viel stärkere Abwehr auslöst als bei anderen, bleibt bisher ein Rätsel. Durch ihre Lage im vordersten Bereich der Atemwege sind die Rachenmandeln besonders häufig Viren ausgesetzt, die über die Luft und Tröpfchen übertragen werden. Somit sind sie ein ideales Gewebe, um das Immungedächtnis zu untersuchen. „Aus Mandelgewebe können wir Organoide züchten, die die zentralen Eigenschaften ihrer natürlichen Umgebung widerspiegeln und funktionelle Immunzellpopulationen enthalten“, sagt Kristin Metzdorf. So helfen diese Mini-Organe dabei, die nächsten Geheimnisse unseres Immunsystems aufzudecken.
Weitere Informationen
- Hören Sie Kristin Metzdorf auch in unserer Podcast-Folge „Mini-Organe, große Wirkung: Wie Organoide die Infektionsforschung revolutionieren“
- Mehr über Organoide erfahren Sie in unserem Wissensportal
