Dreidimensionale Organkulturen: Neue Optionen auch für die Ophthalmologie

Die biomedizinische Forschung erlebt einen grundlegenden Wandel. Immer häufiger werden humane Gewebemodelle entwickelt, die wesentliche Eigenschaften menschlicher Organe nachbilden. Dadurch lassen sich Krankheiten direkt an lebenden Geweben untersuchen.

von Prof. Dr. med. Stefan Hippenstiel

Auf dem Gebiet der biomedizinischen Forschung gehören dreidimensionale (3D) Organkulturen, sogenannte Organoide, zu den bedeutendsten Entwicklungen der vergangenen Jahre. Sie schließen eine Lücke zwischen klassischer Zellkultur, Tiermodellen und klinischer Forschung und entwickeln sich zunehmend zu einem festen Bestandteil der translationalen Medizin. Der Bedarf an solchen Modellen ist groß. Trotz erheblicher Fortschritte in der Forschung scheitern die meisten Wirkstoffkandidaten noch immer während der klinischen Entwicklung. Ein wesentlicher Grund liegt darin, dass präklinische Modelle die menschliche Biologie häufig nur unzureichend widerspiegeln.

Verbesserte Übertragbarkeit experimenteller Ergebnisse

Konventionelle Zellkulturen bestehen meist aus einer einzelnen Zellschicht und -art, sie erfassen weder die räumliche Organisation eines Gewebes noch die komplexen Wechselwirkungen verschiedener Zelltypen. Tiermodelle haben wesentlich zum Verständnis biologischer Prozesse beigetragen, unterscheiden sich jedoch in zahlreichen Aspekten von der menschlichen Physiologie und Pathophysiologie. Humane Gewebemodelle sollen diese Lücke verkleinern und die Übertragbarkeit experimenteller Ergebnisse verbessern.

Organoide werden aus menschlichen Stammzellen oder gewebespezifischen Vorläuferzellen erzeugt. Sie organisieren sich selbst zu 3D-Strukturen und bilden charakteristische Zell­typen sowie wesentliche funktionelle Eigenschaften des jeweiligen Organs nach. Dadurch lassen sich Fragestellungen untersuchen, die in konventionellen Zellkulturen kaum oder gar nicht bearbeitet werden können.

Deutlich realitätsnähere Bedingungen durch 3D-Organkulturen

Besonders deutlich zeigt sich dieser Fortschritt in der Infektionsforschung. Krankheitserreger treffen im menschlichen Körper nicht auf isolierte Zellen, sondern auf komplex organisierte Gewebe mit unterschiedlichen Zell­populationen, funktionellen Barrieren und intensiver zellulärer Kommunikation. 3D-Organkulturen ermöglichen es, diese Prozesse unter deutlich realitätsnäheren Bedingungen zu ­analysieren. So lassen sich Infektionsmechanismen, Gewebeschädigung, Regeneration und die Wirksamkeit neuer therapeutischer Ansätze wesentlich differenzierter untersuchen.

In unserer Arbeitsgruppe kommen hierfür insbesondere humane Lungenorganoide zum Einsatz. Aus kleinen Gewebeproben entstehen stabile 3D-Kulturen, die unterschiedliche Bereiche der Atemwege repräsentieren und über lange Zeiträume kultiviert werden können. Sie ermöglichen Untersuchungen zu respiratorischen Viren wie Influenza- oder Coronaviren ebenso wie zu bakteriellen Erregern, beispielsweise Pneumokokken. Gleichzeitig erlauben sie den Vergleich verschiedener Kulturbedingungen und die Analyse individueller Unterschiede zwischen Spenderinnen und Spendern – ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu einer stärker personalisierten experimentellen Medizin.

Technologie-Kombination zur Auswertung von Organoiden

Parallel dazu haben sich auch die Methoden zur Analyse dieser Modelle rasant weiterentwickelt. Hochauflösende Mikroskopie, Multiplex-Immunfluoreszenz, Einzelzell-RNA-Sequenzierung und räumliche Transkriptomik liefern heute detaillierte Informationen über Zelltypen, Differenzierungszustände und ihre räumliche Organisation. Ergänzt ­werden diese Verfahren durch von Künstlicher Intelligenz (KI) gestützte Bildanalyse, mit der sich große Organoidkollektionen automatisiert und quantitativ auswerten lassen. Die Kombination dieser Technologien ermöglicht eine funktionelle Charakterisierung humaner Gewebe in einer bislang nicht erreichten Auflösung.

Aktuelle Limitationen und künftige Konzepte humaner Organoide

Trotz dieser Fortschritte besitzen Organoide weiterhin Grenzen. Blut­gefäße, Immunzellen oder nervale Strukturen fehlen häufig oder sind nur teilweise vorhanden. Daher werden zunehmend komplexere Modelle entwickelt, in denen verschiedene Zelltypen kombiniert oder Organoide mit mikrofluidischen Systemen verknüpft werden. Ebenso wichtig sind standardisierte Kulturprotokolle und Qualitätskriterien, um Ergebnisse zwischen Laboratorien besser vergleichbar zu machen.

Neue Möglichkeiten auch für die Augenheilkunde

Die zugrunde liegenden Konzepte reichen weit über die Infektionsforschung hinaus. Auch in der Augenheilkunde eröffnen 3D-Gewebemodelle neue Möglichkeiten. Retina-, Cornea- oder andere okuläre Organoide können dazu beitragen, Entwicklungsprozesse und Erkrankungen besser zu verstehen sowie neue Therapieansätze unter humanrelevanten Bedingungen zu untersuchen. Moderne Omics-Technologien und Verfahren der KI werden diese Entwicklung in den kommenden Jahren weiter beschleunigen.

Humane 3D-Gewebemodelle werden Tiermodelle auch künftig nicht vollständig ersetzen. Sie entwickeln sich jedoch zu einer wichtigen Ergänzung des experimentellen Methodenspektrums und schließen eine bislang bestehende Lücke zwischen einfacher Zellkultur und klinischer Forschung. Dort, wo sie die menschliche Biologie besser abbilden als bestehende Modelle, können sie zugleich dazu beitragen, Tierversuche zu reduzieren oder teilweise zu ersetzen. Der entscheidende wissenschaftliche Fortschritt liegt jedoch in ihrer Fähigkeit, biologische Prozesse unmittelbar im menschlichen Gewebe zu untersuchen und damit die Aussagekraft präklinischer Forschung sowie die Translation neuer Erkenntnisse in die klinische Anwendung nachhaltig zu verbessern.

Do21-02, 3D Organ Cultures in Infection Research: Lessons for Tissue Modeling and Translation, Donnerstag, 24.09., 15.18 bis 15.36 Uhr, Raum XV

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