Organoide zur Heilung von Leberkrankheiten
Als hereditäre Cholestasen werden Störungen der Gallensynthese und -sekretion bezeichnet, die zur progressiven Lebererkrankung führen können. Da viele Patienten nicht mehr auf Medikation ansprechen, ist mitunter eine Lebertransplantation unerlässlich. Allerdings sterben 10 % der Patienten beim Warten auf ein Transplantationsorgan mangels geeigneter Spender, sodass dringend alternative Therapien gefragt sind. Biotechnologisch erzeugte Gewebe sind hier eine gangbare Alternative, um künftig weniger abhängig von Spenderorganen zu sein. Aufgrund der komplexen Leberstruktur ist es jedoch schwierig, eine funktionelle Leber herzustellen. Um dieses Problem zu lösen, erzeugten Forscher des EFR-geförderten Projekts CLOC in vitro Leberorganoide, für die dreidimensionale (3D) Scaffolds mit Hepatozytenkulturen besiedelt wurden. Damit das Projekt ein Erfolg wird, brachte CLOC Experten aus verschiedensten Fachrichtungen zusammen, u. a. Chirurgen, Ingenieure und Zellbiologen. „Unser Ziel war es, sowohl neue Strategien gegen hereditäre Cholestasen als auch Modelle zu entwickeln, an denen sich die Leberentwicklung untersuchen lässt“, erklärt Prof. Paul Gissen, Leiter des CLOC-Projekts am University College London. Leberorganoide aus Stammzellen Bei der Zelltransplantation stellen sich vor allem zwei Probleme dar: zum einen der Mangel an lebensfähigen primären Hepatozyten, zum anderen deren bedingte Eignung für die In-vivo-Transplantation. Hier wiederum sind Stammzellen aufgrund ihrer Pluripotenz hervorragend für die Gewebezüchtung geeignet. Insbesondere humane induzierte pluripotente Stammzellen (hiPSC), die sich durch Überexpression bestimmter Faktoren aus umprogrammierten Hautfibroblasten erzeugen lassen, sind inzwischen ein wichtiges Werkzeug in der regenerativen Medizin. Für klinische Anwendungen lassen sich vollständig immun-kompatible differenzierte Zellen erzeugen, indem die Produktion patientenspezifischer hiPSC hochskaliert wird. Die Forscher von CLOC besiedelten nun einen Scaffold aus dreidimensionaler extrazelluläres Matrix mit hiPSC. „Für die Leberorganoide generierten wir aus der Leber von Mäusen einen dezellularisierten Scaffold, um diesen dann mit differenzierungsfähigen, hiPSC-derivierten Hepatozyten neu zu besiedeln“, fährt Prof. Gissen fort. Diese Organoiden konservierten die Mikrostruktur, das Gefäßnetz und die extrazelluläre Matrix der Leber. Anschließend wuchsen die Organoide in einem Bioreaktor mehrere Wochen lang bei konstanter Sauerstoffzufuhr. Verglichen mit zweidimensionalen Kulturen zeigte sich bei dem mit hiPSC besiedelten 3D-Scaffold eine schnellere Zellreifung – der Voraussetzung für eine erfolgreiche In-vivo-Transplantation im erwachsenen Organismus. Vorteile der CLOC-Organoiden Laut Prof. Gissen „liefert die 3D-Umgebung den Zellen nicht nur die mechanischen Signale und gewährleistet die gewebespezifische Signalgebung, sondern verbessert auch Funktion und Proliferation der Leberzellen. Die Differenzierung der hiPSC zu Hepatozyten wird zudem durch wichtige Komponenten der extrazellulären Matrix gefördert.“ „Vor allem lassen sich aus der Mausleber auf einfache Weise dezellularisierte Scaffolds herstellen, sodass für die Wiederbesiedlung nur wenige Zellen nötig sind. Mit den aus Patienten mit hereditärer Cholestase derivierten hiPSC gelang es CLOC, In-vitro-Modelle für hereditäre Cholestasen für das Arzneimittel-Screening zu erzeugen. Wie Prof. Gissen erklärt, „besteht der nächste Schritt darin, die generierten Organoide an Mausmodellen für Lebererkrankungen zu testen und auch Organoide aus verschiedenen Materialien wie Plastik herzustellen.“ Um eine sichere Transplantation von hiPSC-derivierten Hepatozyten zu gewährleisten, muss aber noch weiter geforscht werden. Zwar können mittels transplantierter Hepatozyten bereits verschiedene metabolische Störungen behandelt werden, den polarisierten Gallenfluss umzukehren und hereditäre Cholestase durch direkte Infusion von Zellen zu heilen, ist aber noch eher unwahrscheinlich. Mit Leberorganoiden könnte dies nun gelingen, da sie nicht nur die terminale Differenzierung von Stammzellen vor der Zelltransplantation fördern, sondern aus ihnen auch vollständige Organe erzeugt werden können.
Schlüsselbegriffe
CLOC, Leberorganoid, hiPSC, Hepatozyten, hereditäre Cholestasen, Transplantation