Organoid

Kleine Alternativen zum Tierversuch

Der MDC-Forscher Dr. Stephan Preibisch hat gemeinsam mit einem Team aus Berlin, Bochum und Düsseldorf die erste Runde der „in vitro-Challenge“ des BMBF gewonnen. Ziel des Wettbewerbs ist es, Labortiere mithilfe kluger Ideen zu ersetzen. Im Fokus stehen dabei Mini-Organe aus menschlichen Stammzellen.

Sie sind nur wenige hundert Mikrometer klein und bestehen aus vielleicht ein paar tausend Zellen: menschliche Organoide, also organähnliche Gebilde, die im Labor aus Stammzellen gezüchtet werden. Die Hoffnungen, die man in die Mini-Organe setzt, sind hingegen umso größer. Sie sollen die medizinische Forschung revolutionieren und Tierversuche zunehmend überflüssig machen. Und das zwar auch, aber nicht nur aus ethischen Gründen. 

Menschliche Stammzellen (ipS-Zellen) kann man im Labor in neuronale Vorläuferzellen verwandeln. Wenn diese 14 Tagen in einem Hydrogel wachsen können, formen sie „Neurosphären", also dreidimensionale neuronale Strukturen. Die Sphäre misst dann ca. 150µm im Durchmesser. Auf der Aufnahme mit einem Lightsheet-Mikroskop sind die Zellkerne in hellblau zu sehen. Orange angefärbt sind die Mikrotubuli, ein Bestandteil des Zellskeletts. Die Zellen stammen aus dem Labor der Neurowissenschaftlerin Ellen Fritsche vom IUF - Leibniz-Institut für Umweltmedizinische Forschung.

Denn längst nicht alle Erkenntnisse, die an Tiermodellen gewonnen werden, lassen sich eins zu eins auf den Menschen übertragen. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF ) hatte Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der unterschiedlichsten Disziplinen daher vor einiger Zeit dazu aufgefordert, im Rahmen eines zweitägigen Kreativ-Workshops gemeinsam nach neuen Lösungsansätzen für dieses Problem zu suchen. Die Gewinner der „in vitro-Challenge“ haben nun ein Jahr lang Zeit, mit einer finanziellen Förderung von bis zu 200.000 Euro ihre Ideen in die Praxis umzusetzen. 

Vor der Challenge kannte sich das Team noch gar nicht 

Zu einem der fünf vom BMBF prämierten Teams gehört Stephan Preibisch, der Leiter der MDC-Arbeitsgruppe Mikroskopie, Bildverarbeitung & Modellierung von Entwicklungsprozessen in Organismen. Gemeinsam mit vier Forscherinnen und Forschern aus Berlin, Bochum und Düsseldorf konnte Preibisch die Jury mit dem geplanten Projekt „EnVISIONaries“ überzeugen. „Das Spannende an dieser Challenge war, dass wir fünf uns vorher gar nicht kannten, alle in völlig verschiedenen Bereichen forschen und an nur einem Wochenende ein Konzept erstellt haben, das es jetzt zu konkretisieren und zu verwirklichen gilt“, sagt Preibisch. 

Die vier anderen Mitglieder seines Teams sind Dr. Philipp Mergenthaler von der Charité-Klinik für Neurologie mit Experimenteller Neurologie (Koordination), Dr. Annemarie Lang von der Klinik für Rheumatologie und klinische Immunologie der Berliner Charité, Professor Axel Mosig, Leiter der Arbeitsgruppe Bioinformatik an der Ruhr-Universität Bochum und Professorin Ellen Fritsche, Leiterin der Arbeitsgruppe Umwelttoxikologische Risikoabschätzung und humane Sphärenmodelle am Leibniz-Institut für umweltmedizinische Forschung in Düsseldorf. 

Künstliche Intelligenz soll die Organoide am Leben erhalten 

Später soll unser Bioreaktor dann eigenständig erkennen, wenn irgendetwas nicht stimmt und das System aus dem Gleichgewicht geraten ist.
Stephan Preibisch
Stephan Preibisch Leiter AG "Mikroskopie, Bildverarbeitung & Modellierung von Entwicklungsprozessen in Organismen"

Das interdisziplinäre Team möchte nun mithilfe der BMBF-Förderung einen Bioreaktor entwickeln, in dem die Organoide per künstlicher Intelligenz am Leben erhalten und gleichzeitig mit hochauflösender Mikroskopie aufgenommen werden können. „Zunächst müssen wir dazu allerdings selbst einmal ermitteln, was die Organoide überhaupt brauchen – welche Temperaturen und welche Mengen an Sauerstoff oder Glukose beispielsweise nötig sind, damit diese winzigen Gebilde gut gedeihen“, erläutert Preibisch. „Später soll unser Bioreaktor dann eigenständig erkennen, wenn irgendetwas nicht stimmt und das System aus dem Gleichgewicht geraten ist – und dann die fehlenden Substanzen ganz allein, ohne unser Zutun, hinzufügen.“ 

Arbeiten wollen die Forscherinnen und Forscher mit zwei Sorten von Organoiden. An Modellen des menschlichen Gehirns möchten sie zum einen die physiologischen Ursachen und Folgen eines Schlaganfalls besser verstehen lernen. Mithilfe von Knorpelmodellen planen sie genauer herauszufinden, was bei einer sich entwickelnden Arthrose in den Knorpelzellen geschieht und welche Biomaterialien sich womöglich eignen, um die Verschleißkrankheit künftig zumindest symptomatisch besser behandeln zu können. 

Für beide Teilprojekte ist es erforderlich, die Mini-Organe über einen längeren Zeitraum hinweg zu kultivieren und wichtige Veränderungen der Organoide automatisch zu erkennen. „Daher wäre es von großem Vorteil, wenn dies mithilfe künstlicher Intelligenz gelingen könnte – ohne dass sich eine Mitarbeiterin oder ein Mitarbeiter permanent um das Wohlergehen der Organoide kümmern müsste“, erläutert Preibisch. 

Nächstes Jahr darf ein weiterer Antrag beim BMBF gestellt werden  

Der Beitrag des MDC-Forschers an dem geplanten Projekt wird unter anderem sein, ein in seiner hiesigen Arbeitsgruppe entwickeltes Lichtblattmikroskop, das an einen Hochleistungsrechner angeschlossen ist, so zu modifizieren, dass sich die Organoide darin möglichst lange aufnehmen und beobachten lassen. Auch die Analyse der mit dem Mikroskop gewonnenen hochaufgelösten dreidimensionalen Bilder wird zu Preibischs Aufgabenbereich gehören. 

Bis zum Frühjahr nächsten Jahres haben er und seine Kolleginnen und Kollegen nun Zeit, ihr Projekt so weit voranzutreiben, dass sie einen Antrag auf mehrjährige Förderung durch das BMBF stellen können. Bis dahin bleibt noch Einiges zu tun. „Ein wichtiger logistischer Punkt, der noch geklärt werden muss, ist zum Beispiel der sichere Transport unserer In-vitro-Modelle von einem Standort zum anderen“, sagt Preibisch. „Denn viele der geplanten Experimente und Analysen werden beispielsweise in Düsseldorf stattfinden.“ Aber auch solche Fragen sind es, die „EnVISIONaries“ für den MDC-Forscher gerade so spannend machen. 

Text: Anke Brodmerkel