Prof. Dr. Holm Zähres (links) und Dr. Karthik Divvela betrachten ein Muskelorganoid, das als rundliches Aggregat gewachsen ist.
Medizin
Muskelorganoide sind eine Bochumer Spezialität
Holm Zähres züchtet Organoide der Skelettmuskulatur. Daran kann er unter anderem die Grundlagen von erblichen Muskelerkrankungen untersuchen.
Patienten mit Duchenne Muskeldystrophie haben eine Lebenserwartung von unter 30 Jahren. Die seltene, genetisch bedingte Muskelkrankheit betrifft fast ausschließlich Jungen. Sie erleiden einen fortschreitenden Muskelschwund, der dazu führt, dass sie irgendwann auf den Rollstuhl angewiesen sind und früh sterben. „Seit Jahrzehnten versucht man anhand von tierischen Modellsystemen, dieser und anderen Erkrankungen auf den Grund zu gehen“, sagt Prof. Dr. Holm Zähres. „Aber wir wollen näher an den Menschen heran. Wir brauchen humane Krankheitsmodelle.“
Der Wissenschaftler arbeitet am Institut für Anatomie der Medizinischen Fakultät der Ruhr-Universität Bochum. Seine Spezialität: Skelettmuskelorganoide. „Während man für verschiedene andere Organoide schon Kits bei gewerblichen Herstellern bestellen kann, gibt es das für Muskeln noch nicht“, erklärt er. Daher hat das Team der Ruhr-Universität zusammen mit Kollegen am Max-Planck-Institut für molekulare Biomedizin in Münster ihre Züchtung selbst entwickelt.
Die Basis aller Organoide sind Stammzellen. Aus pluripotenten Stammzellen kann praktisch jede Körperzelle entstehen, je nachdem, in welcher Umgebung sie sich befindet und welche Wachstumsfaktoren sie erhält. Die Arbeit mit embryonalen Stammzellen ist in Deutschland aus ethischen Gründen problematisch, jedoch auch nicht mehr notwendig, seit in Japan 2006 die induzierten pluripotenten Stammzellen (iPS) entdeckt wurden. „Man nimmt Zellen aus dem Blut oder der Haut eines Menschen und kann sie dann reprogrammieren, um diese iPS-Zellen dann zu allen gewünschten Körperzellen ausdifferenzieren zu können“, erklärt Zähres.
Am Anfang war das Ei
Wie das für Skelettmuskelzellen funktioniert, haben die Bochumer Forschenden herausgefunden. Prof. Dr. Beate Brand-Saberi hat über viele Jahre an Hühnereiern beobachtet, was genau passiert, während sich der Hühnerembryo entwickelt: Nachbarzellen beeinflussen einander, Wachstumsfaktoren ändern ihre Gradienten. Ihre umfangreichen Beobachtungen legten die Grundlagen für ein Protokoll, mit dem es gelingt, Muskelorganoide wachsen zu lassen.
Zu Beginn sind die Organoide noch kaum mit bloßem Auge erkennbar. Sie können später die Größe einer Fingerkuppe erreichen. Bis zu 14 Wochen halten die Forschenden sie am Leben, um mit ihnen zu arbeiten.
„Wir beginnen mit ungefähr 100.000 humanen induzierten pluripotenten Stammzellen unsere Kultur, die täglich gefüttert wird“, erklärt Holm Zähres. „Nach einigen Tagen teilen wir sie und setzen jeweils etwa 4.000 Zellen in ein dreidimensionales Matrigel.“ Darin entwickeln sich dann rundliche Aggregate, die bei weiterer Fütterung weiterwachsen können, bis sie etwa so groß sind wie eine Fingerkuppe. „Außen sind die Organoide von Vorläuferzellen umgeben, in ihrem Inneren sind sie meistens nekrotisch, weil sie kein Gefäßsystem haben, das ihr Inneres mit Nährstoffen versorgen könnte“, beschreibt Zähres. Ansonsten verhalten sich die Muskelzellen des Organoids genauso wie menschliche Muskelzellen im Organismus. „Man kann zum Beispiel eine Erregungsleitung messen“, erzählt der Forscher.
Im Fokus steht die einzelne Muskelzelle
Ihm geht es allerdings weniger um einen künstlichen Muskel als vielmehr um die einzelnen Muskelzellen. „Wir können zum Beispiel ein molekulares Profil der einzelnen Zellen erstellen oder uns die Gesamtheit der in der Muskelzelle vorhandenen Proteine anschauen“, erklärt er. Stammen die Stammzellen, aus denen der Organoid hervorgegangen ist, von einem Patienten mit einer Muskelerkrankung wie der Duchenne Muskeldystrophie, so kann man diese Erkenntnisse mit denen aus gesunden Organoiden vergleichen. „So hoffen wir, den Grundlagen dieser Erkrankungen auf die Spur zu kommen“, so Zähres.
Die sich entwickelnden Organoide müssen täglich gefüttert werden. Sie erhalten verschiedene Wachstumsfaktoren in unterschiedlichen Zusammensetzungen nach einem bestimmten Protokoll.
Im Vergleich mit zweidimensionalen Zellkulturen entwickeln und verhalten sich die Muskelzellen im Organoid ähnlicher zu den Zellen im Organismus. Zähres stellt seit rund zehn Jahren Muskelorganoide her. Für die Zukunft kann er sich vorstellen, das Modell hochzuskalieren und zu verfeinern. „Mithilfe moderner Robotik könnte man im Hochdurchsatz die Wirkung verschiedener Substanzen auf Organoiden prüfen und so nach möglichen Wirkstoffen suchen“, sagt er. Mittels der CRISPR/Cas9-Genschere lassen sich gezielt Mutationen in Organoide einbringen, deren Auswirkungen Aufschluss über mögliche Zusammenhänge mit zellulären Vorgängen geben könnten. Letztlich hält er auch sogenannte Assembloide für denkbar, die sich aus mehreren Organoiden zusammensetzen und die Vorgänge in einem Organismus noch besser nachahmen können. Muskelstammzellen, die sogenannten Satellitenzellen, die im Organoid mitwachsen, könnten bei entsprechender Aufreinigung translational in Zellersatztherapien zum Einsatz kommen.
„Organoide sind nicht nur näher am Menschen als Tierversuche, sondern die Voraussetzungen sind auch günstiger“, sagt er. „Man braucht bei der Nutzung von Patientenproben maximal einen Ethikantrag.“
