Erstes realitätsnahes Modell des menschlichen Knochenmarks

Forschenden der Universität Basel ist es gelungen, die zelluläre Komplexität des Knochenmarks aus menschlichen Zellen im Labor nachzubilden. Das System könnte Tierversuche für viele Anwendungen reduzieren.

Unser Knochenmark erledigt seinen Job in der Regel völlig unbemerkt und unbeachtet. Nur wenn es erkrankt, etwa an Krebs, rückt es in den Fokus. In solchen Fällen ist es entscheidend zu verstehen, wie die Blutproduktion in unserem Körper genau funktioniert – und was bei einer Erkrankung schiefläuft.

Typischerweise verlässt sich die Knochenmarkforschung dabei vor allem auf Tierversuche und stark vereinfachte Zellmodelle im Labor. Nun stellen Forschende der Universität Basel und des Universitätsspitals Basel (Schweiz) eine realitätsnahe Nachbildung des Knochenmarks aus menschlichen Zellen vor. Dieses Modell dürfte für die Blutkrebsforschung, aber auch für Medikamentenentwicklung und womöglich für personalisierte Therapien ein wertvolles Werkzeug werden, berichten die Forschenden um Prof. Ivan Martin und Dr. Andrés García García im Fachjournal «Cell Stem Cell».

Knochengerüst und Zellenvielfalt

Das Knochenmark ist nicht gleichförmig, sondern besitzt verschiedene spezialisierte Abteilungen, sogenannte Nischen. Eine Nische, die für die Blutbildung und im Zusammenhang mit der Resistenz von Blutkrebs gegenüber Therapien besonders wichtig ist, sitzt nahe an der Knochenoberfläche. Diese endosteale Nische besteht aus Blutgefäßen, Knochenzellen, Nerven und Immunzellen. Bisher gab es hierfür kein realitätsnahes menschliches Modellsystem.

Dies ist dem Forschungsteam nun gelungen: Die Basis für dieses komplexe Gewebe bildete ein künstliches Knochengerüst aus Hydroxylapatit, einem wichtigen Bestandteil von Knochen und Zähnen. Außerdem nutzten die Forschenden menschliche Körperzellen, die sie zu Stammzellen umprogrammierten. Diese induzierten Stammzellen (hiPSCs) sind in der Lage, je nach Signalstoffen aus der Umgebung wieder verschiedene spezialisierte Zelltypen hervorzubringen.

Die Forschenden integrierten diese Zellen in das künstliche Knochengerüst, stimulierten spezifische Differenzierungsprozesse und ließen auf diese Weise reproduzierbar eine Vielzahl verschiedener Zellarten des Knochenmarks heranwachsen. Ihre anschließende Analyse bestätigte, dass dieses dreidimensionale Konstrukt der Zusammensetzung der endostealen Nische des Knochenmarks deutlich näher kommt als bisherige Modellsysteme. Es ist mit acht Millimetern Durchmesser und einer Dicke von vier Millimetern auch größer. Das Konstrukt erlaubte den Forschenden, die menschliche Blutbildung im Labor nachzuahmen.

Ersatz für bestimmte Tierversuche

«Aus Versuchen mit Mäusen haben wir sehr viel über die Funktionsweise des Knochenmarks gelernt», sagt Martin. «Mit unserem Modell kommen wir aber dem menschlichen Organismus deutlich näher. Viele Tierversuche bei der Erforschung der Blutbildung in gesundem und erkranktem Zustand könnten sich dadurch reduzieren lassen.» Das entspreche dem Bestreben der Universität, Tierversuche wo immer möglich zu reduzieren, zu verbessern oder zu ersetzen (3R-Prinzipien).

Auch in der Medikamentenentwicklung könnte das System künftig Verwendung finden. «Allerdings ist die Größe unseres Knochenmarkmodells hier eher eine Hürde», erklärt García García. Um mehrere Wirkstoffe und Dosierungen parallel zu testen, brauche es wieder eine Miniaturisierung.

Längerfristig sei auch vorstellbar, damit in der Behandlung von Krebserkrankungen individuelle Knochenmarkmodelle mit Zellen von Patientinnen und Patienten zu erzeugen. Diese würden erlauben, verschiedene Therapien zu testen und die beste auszuwählen. Auch hierfür brauche es aber weitere Entwicklungen, räumen die Forschenden ein.