Geeignet für Massenproduktion: Menschliche Darmorganoide mit funktionierenden Nerven

Ein spezielles Kultursystem ermöglicht die Herstellung größerer, schneller wachsender menschlicher Organoide im Labor – für den Einsatz in der Forschung und zur potenziellen Gewebereparatur in Dünndarm, Dickdarm und Magen.

Dank spezieller, im 3D-Druckverfahren hergestellter Gerüstschalen – entworfen von Experten des Cincinnati Children’s – können Forscher größere Varianten funktioneller menschlicher Darm-Organoide doppelt so schnell produzieren wie mit früheren Methoden. Zudem entwickeln diese Organoide eigenständig eigene Nervenzellen.

Diese verbesserte Technologie könnte dazu beitragen, die Produktion menschlicher Mini-Organgewebe zu beschleunigen. Diese sind groß genug, um zur Reparatur von Schäden oder zur Wiederherstellung eingeschränkter Funktionen im Dünndarm, Magen oder Dickdarm eines Patienten eingesetzt zu werden. Solche Gewebe wären laut den Forschenden zudem äußerst wertvoll für künftige Studien zu Krankheitsbildern sowie für eine präzisere Bewertung von Organrisiken, die mit der Einnahme oraler Medikamente verbunden sind.

Organoide aus Dünndarm, Dickdarm und Magen

Einzelheiten des Projektes veröffentlichten die verantwortlichen Wissenschaftler kürzlich im Journal „Nature Biomedical Engineering“. Entworfen und getestet wurde das neue System von einem Team unter der Leitung von Holly Poling vom Cincinnati Children’s Hospital (USA) und Seniorautor Maxime Mahe von der Universität Nantes (Frankreich).

Mithilfe ihres neuen „Confined Culture System“ (CCS) züchteten die Wissenschaftler Organoide aus Dünndarm, Dickdarm und Magen: Aus winzigen kugelförmigen Gebilden entstanden röhrenförmige Strukturen von Zentimetergröße – fast zehnmal größer als bei früheren Methoden. Zudem entwickeln diese Organoide, anders als bei Verfahren, die einen komplexen Aufwand zur Einbringung von Nervenzellen erfordern, ihr Nervensystem völlig eigenständig.

„Indem sie doppelt so schnell die für eine Transplantation erforderliche Reife erlangen und dabei eigene funktionelle Nerven ausbilden, zeigen diese Organoide eindrucksvoll, wie ingenieurwissenschaftliche Prinzipien biologische Innovationen vorantreiben können“, erklärt Poling. „Unser eingeschränktes Kultursystem ist weit mehr als bloß eine Produktionsmethode: Es ist eine skalierbare, flexible Plattform für die Konstruktion komplexer menschlicher Gewebe.“

Neues Produktionssystem ermöglicht schnelleres Wachstum

Experten am Center for Stem Cell & Organoid Medicine (CuSTOM) des Cincinnati Children’s Hospital habenseit mehr als 15 Jahren Erfahrung in der Herstellung von Miniaturversionen von Organen des Verdauungstraktes und haben dabei die Komplexität der im Labor gezüchteten Gewebe stetig weiterentwickelt. In jüngster Zeit arbeitet das Team an Methoden, um ausreichend maßgeschneidertes Gewebe zu produzieren, das Patienten transplantiert werden kann, um Organschäden zu beheben oder eingeschränkte spezialisierte Funktionen wiederherzustellen.

Bei dem neuen Verfahren wird 3D-Drucktechnologie eingesetzt, um schalenartige Gerüstformen aus chirurgischem Kunstharz herzustellen. Diese Formen werden anschließend mit entgastem Polydimethylsiloxan – einer flexiblen, gummiartigen Silikonart – befüllt.

Die neuen Schalen verfügen über Rillen, die dazu dienen, eine Ansammlung kugelförmiger Organoide in einer Reihe zu fixieren. Dies fördert nach Angaben der Forschenden das Verschmelzen und die Reifung der Sphäroide. Die Verschmelzungsprozesse finden innerhalb einer speziellen Mischung aus Nährstoffen und anderen Komponenten statt, welche das anfängliche Wachstum von induzierten pluripotenten Stammzellen (iPSCs) hin zu komplexeren Organoiden unterstützt.

Bereits am sechsten Tag entwickeln sich die einzelnen Sphäroide entlang der Rillen der Schalen zu zusammenhängenden Gewebekonstrukten. Diese werden anschließend in ein anderes Hydrogel-Medium überführt, wo ihr Wachstum für weitere acht Tage fortgesetzt wird.

Bis zum 14. Tag haben die Organoid-Konstrukte sämtliche Zelltypen und Strukturen ausgebildet, für deren Entstehung zuvor 28 Tage erforderlich waren. Diese Gewebe transplantierten die Wissenschaftler anschließend in Nagetiere, die genetisch so modifiziert worden waren, dass das Risiko für eine Abstoßungsreaktion minimiert war.

Größere Strukturen als mit bisherigen Verfahren

Wie die Autoren der Studie berichten, wuchsen alle transplantierten Gewebe bei den Nagetieren erfolgreich an. Nach der Wachstumsphase in den Nagetieren konnte das Team bis zu 8 cm funktionierendes Dünndarmgewebe gewinnen – im Vergleich zu etwa 1 cm Gewebe, das mit früheren Protokollen erzielt wurde. Die Strukturen waren nicht nur deutlich größer als beim Einsatz bisheriger Verfahren, sondern wiesen nun auch eine neuromuskuläre Funktion auf, die der von nativem menschlichem Gewebe ähnelt – ein bedeutender Fortschritt.

„Wir sind nun in der Lage, nicht nur komplexe gastrointestinale Organoide in großem Maßstab zu erzeugen, sondern auch deren Differenzierung zu funktionellen Geweben mit integrierten enterischen neuronalen Netzwerken gezielt zu steuern“, erklärt Mahe. „Durch die Nutzung einer definierten Wachstumsumgebung treibt die intrinsische Selbstorganisationsfähigkeit der Zellen die Bildung von Gewebestrukturen voran, die dem menschlichen Gastrointestinaltrakt verblüffend ähnlich sind.“

Jim Wells, Koautor der Studie und wissenschaftlicher Leiter am CuSTOM, betont, dass die neue Technologie entscheidende Hürden hinsichtlich des Maßstabs und der Funktionalität in der Organoidforschung sowie in der biotechnologischen Gewebeproduktion überwindet. „Die Einfachheit, Reproduzierbarkeit und Vielseitigkeit dieser Plattform machen sie für eine breite Anwendung zugänglich“, sagt Wells. „Darüber hinaus ist das Entstehen eines selbstorganisierten Nervensystems innerhalb dieser Organoide von besonderer Bedeutung für weitere Studien zur Neuroentwicklung.“