Roboter züchten aus Stammzellen dreidimensionale Mini-Organe

Automatisierte Herstellung von Organoiden

Forscher an der University of Washington School of Medicine haben ein automatisiertes System entwickelt, das die schnelle Herstellung von Mini-Organen – sogenannte Organoide – aus Stammzellen ermöglicht. Organoide sind sehr kleine Gebilde, die Organen ähneln, sich vergleichbar verhalten und folglich eine wichtige Ressource in der biomedizinischen Forschung darstellen.

„Traditionell werden Zellen für die biomedizinische Forschung in einem zweidimensionalen Medium kultiviert“, erklärt Benjamin Freedman, Professor für Medizin an der University of Washington School of Medicine und Leiter des Forschungsprojekts. Dies hat den Nachteil, dass die daraus entstehenden Zellen zu simpel sind und keine akkuraten Repräsentationen echter Zellen darstellen. In den letzten Jahren ist es jedoch gelungen, Zellen in dreidimensionalen Umgebungen wachsen zu lassen und somit komplexere Formationen zu entwickeln – die Organoide.

Ihr Potenzial für die biomedizinische Forschung wird durch den Umstand gedämpft, dass ihre Massenproduktion momentan noch Schwierigkeiten bereitet. Diesen steuern die Forscher nun entgegen, indem es ihnen gelungen ist, die Entwicklung von Stammzellen zu Organoiden durch ein Robotersystem zu automatisieren. Ähnliche Ansätze sind bereits mit adulten Stammzellen gelungen; das Besondere an den Ergebnissen von Freedmans Forschungsgruppe ist jedoch, dass die Automatisierung der Umwandlung von Stammzellen zu Organoiden nun das erste Mal mit pluripotenten Stammzellen geglückt ist. Pluripotente Stammzellen können sich in jede Art von menschlichem Gewebe weiterentwickeln und stellen somit wichtige Forschungsobjekte dar.

Der Roboter benötige, so Freedman, für die Vorbereitung eines Experiments, für das ein Forscher einen ganzen Tag aufwenden müsste, nur etwa 20 Minuten. Er überträgt Stammzellen auf mehrere Platten mit jeweils bis zu 384 Vertiefungen, in denen sich die Stammzellen dann über einen Zeitraum von 21 Tagen in Nierenorganoide weiterentwickeln. Jede Vertiefung enthält dabei bis zu 10 und jede Platte folglich mehrere tausend Organoide. Ferner verarbeitet und analysiert der Roboter die entwickelten Organoiden, indem er mithilfe der sogenannten RNA-Sequenzierung die verschiedenen Zellarten innerhalb der neu gebildeten Formationen ausliest.

Ein zentraler Aspekt des automatisierten Systems, so Freedman, sei die Möglichkeit, die Prozedur an jedem beliebigen Punkt verändern zu können um zu beobachten, welche Veränderungen zu den besten Ergebnissen führen. So gelang es den Forschern beispielsweise, die Anzahl der Blutgefäßzellen in den Organoiden zu erhöhen und somit einen höheren Ähnlichkeitsgrad zwischen Nierenorganoiden und echten Nieren herbeizuführen.

Organoide in der Medikamentenforschung

Ein weiteres Anwendungsfeld des Systems ist die Medikamentenforschung. So entdeckten die Forscher in einem Experiment, dass das Protein Myosin möglicherweise eine Rolle bei der erblichen, weitverbreiteten polyzystischen Nierenerkrankung spielt; ein Umstand, der laut Freedman vorher nicht bekannt gewesen sei. Für das Experiment entwickelten die Wissenschaftler Organoide mit Mutationen, die eine polyzystische Nierenerkrankung auslösen und setzten diese anschließend diversen Substanzen aus. Die Krankheit führt dazu, dass kleine Röhrchen in der Niere anschwellen und dadurch Zysten bilden, die das gesunde Gewebe verdrängen. Als die Nierenorganoiden im Experiment mit der Substanz Blebbistatin in Kontakt gerieten, die das Protein Myosin blockt, erhöhte sich die Anzahl und Größe der Zysten in den Organoiden. Somit bildete sich bei den Forschern die Vermutung, dass Myosin, das eigentlich für die Muskelkontraktion zuständig ist, den Nieren beim Ausweiten und Zusammenziehen hilft, und eine Fehlfunktion des Proteins folglich zum Entstehen von Zysten führen kann. Freedman sagt über das vielversprechende Potenzial des neuen automatisierten Systems, dass es eine „Geheimwaffe in unserem Kampf gegen Krankheiten“ sei.

Der Bericht zum Experiment erschien im Journal Cell Stem Cell, verfasst von Stefan Czerniecki, Nelly Cruz und Dr. Jennifer Harder.

 

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