Mittelhirn-Organoide für automatisierte Wirkstoff- und Krankheitsforschung

Einem Wissenschaftlerteam des Max-Planck-Institutes für molekulare Biomedizin in Münster ist es gelungen, mit menschlichen Zellen völlig automatisiert Mittelhirn-Organoide herzustellen, die im Hochdurchsatzverfahren erzeugt, kultiviert und im Detail analysiert werden können. 

Um Krankheiten wie Morbus Parkinson in der Kulturschale möglichst gut abzubilden, setzen Wissenschaftler schon seit einigen Jahren auf drei-, statt zweidimensionale Kultursysteme, weil 3D-Systeme der zellulären Vielfalt und deren komplexer Struktur und Interaktionen in Organen viel näher kommen. Eine Art davon sind Organoide. „Organoide wachsen und reifen auf eine selbst-organisierende Weise aus induzierten pluripotenten Stammzellen (iPS) oder gewebespezifischen Vorläuferzellen zu einem Gewebe-Aggregat, wie es auch im menschlichen Körper passieren würde,“ erklärt Jan Bruder, Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für molekulare Biomedizin und Verantwortlicher der Studie. „Dadurch, dass sich die Zellen in Organoiden selbst organisieren, sind Organoide komplexer, ahmen die charakteristischen physiologischen Eigenschaften des Gewebes besser nach und bieten daher verschiedene funktionelle Vorteile gegenüber traditionellen Modellen.“

Noch werden Organoide zum großen Teil individuell und per Hand hergestellt, sind also nicht für Hochdurchsatzverfahren geeignet. Das führt einerseits zu beträchtlichen verfahrensbedingten Abweichungen zwischen einzelnen Organoiden, andererseits verhindert es die effiziente Herstellung von Organoiden in Stückzahlen, die für die Arzneimittelforschung gebraucht werden.

Die nun erzielten Fortschritte bei der Erzeugung und Analyse von Organoiden machen diese für den Einsatz in groß angelegten Forschungsvorhaben wie der Hochdurchsatz-Wirkstoffentwicklung nutzbar.

Zunächst entwickelten die Forscher eine Strategie, bei der Organoide mit Mittelhirn-Identität aus sogenannten ‚small molecule‘ neuralen Vorläuferzellen (‚small molecule neural precursor cells‘ – smNPCs) erzeugt wurden. Diese Zellen sind in der Lage, die für die Mittelhirn-Organoide relevanten Zelltypen schneller und mit größerer Reproduzierbarkeit als derzeitige Methoden zu generieren. Von besonderer Bedeutung ist die Erzeugung von dopaminergen Neuronen innerhalb der Organoide, da dies genau die Nervenzellen sind, die im Gehirn von Parkinson-Patienten zuerst absterben.

„Anstatt Mittelhirnneurone über ein bis zwei Monate hinweg aus iPS-Zellen heranzuzüchten, haben wir smNPCs benutzt. Auf diese Weise haben wir Dopamin-produzierende Nervenzellen innerhalb von zwei Wochen erhalten,“ sagt Henrik Renner, Erstautor der Studie und Doktorand am Max-Planck-Institut für molekulare Biomedizin.

Der zweite Fortschritt des Forscherteams ist, dass die Organoidproduktion mit automatisierten Pipettierrobotern durchgeführt werden kann, um große Mengen von Organoiden aus den smNPCs auf eine reproduzierbare Art und Weise herzustellen.

Die Ergebnisse sind vielversprechend: „Die Mittelhirn-Organoide aus smNPCs sind nicht nur untereinander sehr homogen,“ sagt Renner, „sie weisen auch signifikante Merkmale des menschlichen Mittelhirns auf und zeigen aggregatweit spontane, synchronisierte neurale Aktivität, ähnlich wie man sie auch in der frühen Entwicklung des menschlichen Nervengewebes findet.“

Die dritte Verbesserung für ein effizienteres Anwendungsverfahren war die Automatisierung der Analyse. Auch hier hat das Forscherteam konsequent auf Robotik gesetzt: „Wir haben ein Protokoll entwickelt, mit dem wir die Organoide automatisiert in ihrer Gesamtheit untersuchen können. Der Trick dabei ist, dass Zielproteine im ganzen Organoid mit Antikörpern markiert und diese Färbungen im Fluoreszenzmikroskop automatisch in 3D erfasst werden,“ erklärt Renner.

Der Vorteil dieses Verfahrens: Einzelne Zell-Subtypen können – in einem hochdurchsatz-kompatiblen System – im intakten Organoid ausgemessen werden. Hiermit können nun erstmals Arzneimittelwirkungen auf Einzelzellebene innerhalb einer komplexen 3D-Zellumgebung in einem vollautomatischen Hochdurchsatz-Arbeitsablauf beurteilt werden. „Die Verknüpfung von Herstellung und Analyse von Organoiden in ein und demselben Kulturformat, in dem alle Schritte übergangslos ineinandergreifen, ist ein enormer Fortschritt,“ betont Bruder. Die Forschung wurde durch einen Advanced Grant an Hans Schöler im Rahmen des ERC-Programms ‚Horizon 2020‘ finanziert.

Verfahren lizensiert

Die Technologietransfer-Gesellschaft Max-Planck-Innovation hat das Verfahren an das amerikanische Biotech-Unternehmen StemoniX lizenziert. StemoniX entwickelt auf iPS-Zellen basierende 3D microOrgan®-Gewebekonstrukte, Krankheitsmodelle und Analysemethoden.

Originalpublikation:
Renner H et al. A fully automated high-throughput workflow for 3D-based chemical screening in human midbrain organoids. eLife 2020;9:e52904.