Organoide in der biomedizinischen Forschung: Chancen und Herausforderungen
Organoide sind dreidimensionale, miniaturisierte Modelle von Organen und Geweben, die in vitro aus Stammzellen oder anderen Vorläuferzellen gezüchtet werden, die die Fähigkeit besitzen, sich in einen Zelltyp zu differenzieren, der in einem bestimmten Organ oder Gewebe vorkommt. Sie ahmen die Struktur und Funktion menschlicher Organe genau nach und sind daher wertvolle Werkzeuge zur Untersuchung der menschlichen Entwicklung, Krankheitsmodellierung, Wirkstoffentdeckung und personalisierten Medizin.
Von Adrienne L. Watson, PhD
Chief Scientific Officer, World Precision Instruments
Anwendungen von Organoiden
Organoide haben ein breites Anwendungsspektrum in der biomedizinischen Forschung und Arzneimittelentwicklung:
- Krankheitsmodellierung: Organoide wurden erfolgreich in Kombination mit Gen-Editing eingesetzt und aus Patientenzellen gewonnen, um Krankheiten wie Krebs, Mukoviszidose und neurodegenerative Erkrankungen zu modellieren, was wertvolle Einblicke in den Krankheitsverlauf und die Behandlungserfolge bietet. Diese krankheitsmodellierenden Organoide haben es Forschenden ermöglicht, die Mechanismen, die Krankheiten zugrunde liegen, in einem physiologisch relevanteren Modell zu untersuchen. Bessere präklinische Krankheitsmodelle können zu einem besseren Verständnis des Krankheitsverlaufs und zur Entwicklung personalisierter Behandlungsstrategien führen, was Organoiden einen Vorteil gegenüber weniger komplexen biologischen Modellen verschafft.
- Medikamentenscreening: Organoide bieten eine Plattform für das Screening und Testen von Medikamenten, die der menschlichen Physiologie im Vergleich zu herkömmlichen zweidimensionalen Zellkulturen näherkommt. Organoide sind insofern einzigartig, als sie oft physiologisch relevanter sind als andere Zellkulturmodelle, dabei aber weniger komplex und herausfordernd zu untersuchen als Tiermodelle. Die Möglichkeit, im Labor eine große Anzahl von Organoiden zu screenen, kann effektiv genutzt werden, um potenzielle Wirkstoffe zu identifizieren, Toxizität und Wirksamkeit zu bewerten und Arzneimittelreaktionen genauer und effizienter vorherzusagen.
- Entwicklungsbiologie: Organoide können verwendet werden, um die Prozesse des Organwachstums, der Gewebebildung und anderer wichtiger biologischer Abläufe während der Entwicklung zu untersuchen. Durch die Manipulation der Kulturbedingungen können Forschende erforschen, wie spezifische Zelltypen interagieren und sich differenzieren, um komplexe Strukturen zu bilden, was Einblicke in die normale Entwicklung und potenzielle Ansätze der regenerativen Medizin bietet.
- Präzisionsmedizin: Organoide haben das Potenzial, die personalisierte Medizin voranzutreiben, indem sie das Testen von Arzneimittelreaktionen und Behandlungsoptionen an patientenspezifischen Organoidmodellen ermöglichen. Durch die Isolierung patientenspezifischer Zellen oder die Verwendung von Gen-Editing, um genetische Veränderungen im Zusammenhang mit verschiedenen Krankheiten oder Phänotypen vorzunehmen, können Organoide genutzt werden, um die effektivsten Therapien für einzelne Patienten basierend auf deren einzigartigem genetischem Profil und Krankheitsmerkmalen zu identifizieren.
- Krankheitsmechanismen und Pathophysiologie: Organoide bieten eine Plattform, um die molekularen und zellulären Mechanismen der Krankheitsentstehung zu untersuchen. Durch die Analyse von Organoidmodellen können Forscher Einblicke in den Krankheitsverlauf gewinnen, wichtige Signalwege identifizieren und potenzielle therapeutische Ziele für Interventionen entdecken.
Entwicklung der Organoide
Organoide wurden in den 2000er Jahren möglich, als Methoden zur Kultivierung organspezifischer Strukturen aus Stammzellen erstmals entwickelt wurden. Seitdem hat sich das Feld schnell erweitert, mit Fortschritten und Verbesserungen in der Technologie, die die Erzeugung komplexerer und funktionalerer Organoide ermöglichen. Schlüsseltechnologien, die die Entwicklung spezialisierter Kulturmedien, 3D-Gerüste und mikrofluidischer Systeme unterstützen, haben die Fähigkeit der Forscher verbessert, biologische und pathologische Modellierungen mit Organoiden durchzuführen. Darüber hinaus haben Technologien zur Analyse von Organoiden diese Plattform für das Verständnis von Krankheitsmechanismen und vor allem für therapeutisches Screening und Wirkstoffentdeckung nutzbar gemacht.
Vorteile von Organoiden in der Forschung
Organoide bieten mehrere Vorteile gegenüber anderen Forschungs- und präklinischen Modellen, aber es gibt auch Einschränkungen:
Standardzellkultur
Organoide bieten ein physiologisch relevanteres Modell im Vergleich zur herkömmlichen 2D-Zellkultur. Organoide replizieren die Komplexität und Architektur realer Organe, was eine genauere Darstellung der Gewebestruktur und -funktion ermöglicht. Sie können auch Krankheitsphänotypen und Reaktionen auf Medikamente besser nachbilden. Allerdings sind Organoide im Vergleich zu Standardzellkulturen oft schwieriger zu etablieren und zu pflegen, da sie spezielle Protokolle und Fachwissen erfordern. Die verfügbaren Protokolle für Organoide sind bei weitem nicht so etabliert wie die der Standardzellkultur, was zu Problemen bei der Standardisierung und einem erheblichen Ressourcenbedarf für die Etablierung dieser Modelle führt.
3D-Zellkultur
Während sowohl Organoide als auch 3D-Zellkulturen das Wachstum von Zellen in drei Dimensionen beinhalten, sind Organoide komplexere Strukturen, die die Organisation und Funktion realer Organe eng nachahmen. Organoide enthalten mehrere Zelltypen und zeigen gewebespezifische Funktionen, was sie besser geeignet macht für die Modellierung von Organentwicklung, Krankheiten und Arzneimittelreaktionen. Im Gegensatz dazu konzentrieren sich 3D-Zellkulturen typischerweise auf das Wachstum eines Zelltyps oder einer einfachen mehrzelligen Struktur. Organoide können schwieriger zu etablieren sein, da die Entwicklung komplexer Strukturen oft komplexe Wachstums- und Entwicklungsbedingungen mit spezifischer Organisation erfordert, die in der Kultur oft schwer nachzubilden sind. Dies macht Organoide teuer und schwierig zu etablieren und zu experimentieren.
Organ-on-Chip-Systeme
Organoide und Organ-on-Chip-Technologien können sich als komplementäre Ansätze zur Modellierung der menschlichen Physiologie und Krankheit ergänzen. Während Organoide oft verschiedene Zelltypen physisch kombinieren, verwenden Organ-on-Chip-Systeme Mikrofluidik und Barrieren, um die dynamische Interaktion zwischen Zellen nachzuahmen. Organ-on-Chip-Systeme bieten eine präzise Kontrolle über das Mikroenvironment und die Interaktionen zwischen vielen verschiedenen Zellen und Flüssigkeiten. Während Organoide im Allgemeinen ein einzelnes Gewebe oder Organ nachahmen, können Organ-on-Chip-Geräte viele verschiedene Gewebe und Organe sowie deren Wechselwirkungen modellieren.
Tiermodelle
Organoide bieten eine ethische und kostengünstigere Alternative zu Tiermodellen für das Studium der menschlichen Biologie und Krankheiten. Organoide können aus menschlichen Zellen gewonnen werden, was Forschern ermöglicht, Krankheitsmechanismen und Arzneimittelreaktionen im patientenspezifischen Kontext zu untersuchen. Allerdings können Organoide die systemischen Interaktionen und die Komplexität ganzer Organismen nicht vollständig nachbilden, was ihre Nützlichkeit für bestimmte Forschungsfragen einschränkt. Tiermodelle bleiben wertvoll für das Studium komplexer physiologischer Prozesse, Ganzkörperreaktionen und in vivo-Arzneimitteltests. Zudem bieten Tiere eine Plattform zum Verständnis von Arzneimittelverabreichung und Dosierung und ermöglichen klinische Bildgebung, Operationen und andere Verfahren, die mit in vitro-Systemen nicht nachgebildet werden können.
Aufstrebender Organoidmarkt
Der Markt für Organoide wird in den kommenden Jahren voraussichtlich erheblich wachsen, da diese Technologie immer weiter verbreitet und zugänglich wird. Mehrere Unternehmen und Forschungseinrichtungen sind aktiv an der Entwicklung und Kommerzialisierung von organoidbasierten Produkten und Dienstleistungen beteiligt. Der globale Markt für Organoide wird bis 2025 voraussichtlich 1,6 Milliarden US-Dollar erreichen, angetrieben durch die steigende Nachfrage nach personalisierter Medizin und dem Bedarf an vorhersagbareren präklinischen Modellen.
World Precision Instruments (WPI) bietet heute Produkte und Technologien zur Unterstützung der Organoidforschung an, genauso wie WPI die Entwicklung und Bewertung anderer präklinischer Modelle unterstützt, von Standardzellkulturmodellen bis hin zu Organ-on-Chip- und Tiermodellen. Organoide bieten eine präklinische Plattform, die WPI derzeit durch Laborausstattung und Verbrauchsmaterialien für Zellkulturexperimente, Standardmikroskopie und Live-Cell-Imaging-Geräte zur Visualisierung von Organoiden sowie Mikrofluidik-Technologie unterstützt, die das Wachstum, die Erhaltung und Analyse von Organoiden fördert. Organoide fehlen oft bestimmte Zelltypen und können die Interaktionen mehrerer Gewebe und Organe nicht darstellen. Außerdem ist die Unfähigkeit, das Gefäß- und Lymphsystem zu modellieren, eine weitere Einschränkung von Organoiden. Durch die Kombination von Organoiden mit mikrofluidischen Geräten wie Organ-on-Chip und anderen mikro-physiologischen Systemen können Forscher physiologisch relevantere Modelle schaffen, die Aspekte beider Technologien integrieren und die Genauigkeit von Wirkstofftests und Krankheitsmodellen mit Organoiden verbessern. WPI engagiert sich für die Unterstützung von Technologien, die Organoide voranbringen und mit ihnen synergieren, einschließlich Organ-on-a-Chip-Systemen, Mikrofluidik und Genom-Editing.
Eine der grundlegenden Technologien von WPI, transepitheliale elektrische Widerstandsmessungen (TEER), wurde in die Organoidforschung integriert und ermöglichte es Forschern, einige der heutigen Einschränkungen in der Organoidforschung zu überwinden. TEER wird an den Zellen durchgeführt, die für Organoide verwendet werden, bevor die Organoide erzeugt werden, zur funktionellen Validierung und Qualitätskontrolle, was letztlich die Heterogenität, die Organoide oft zeigen, reduziert und die Reproduzierbarkeit verbessert. Durch die Qualifizierung der Zellen vor der Erzeugung der Organoide können Forscher ihr Ausgangsmaterial und ihre Protokolle standardisieren, um Variabilität zu verringern und aussagekräftigere Daten zu erzeugen. Organoide sind funktionell oft schwer zu bewerten, wobei die Mikroskopie das Hauptwerkzeug ist; TEER bietet jedoch eine nicht-invasive Methode, um die Barriereintegrität zu messen und eine funktionelle Auswertung der Organoide zu liefern. In den letzten zwei Jahren gab es mehrere Veröffentlichungen, die den Nutzen von TEER-Messungen in der Organoidforschung demonstrieren:
Varani et al., Zell-Matrix-Interaktionen tragen zur Barrierefunktion in menschlichen Kolon-Organoiden bei., 2019.
WPI’s EVOM-Technologie ermöglichte TEER-Messungen zur Bewertung der Interaktion zwischen Zellen und Basalmembran in menschlichen Kolon-Organoiden und zeigte, dass Zell-Matrix-Interaktionen wesentlich zur Barriereintegrität im Kolon beitragen.
Hori et al. Trophoblast-Stammzell-basierte Organoid-Modelle der menschlichen Plazentabarriere, 2024.
TEER-Messungen, ermöglicht durch WPI’s EVOM-Instrumentierung, konnten die Barriereintegrität und den Reifegrad des menschlichen Plazenta-Organoid-Modells, abgeleitet von Trophoblast-Stammzellen, nachweisen und bieten ein ideales Modell zum Verständnis, wie die Arzneimittelentwicklung erleichtert werden kann, um das Überqueren der Plazentabarriere durch Verbindungen zu ermöglichen oder zu verhindern.
Varani et al., Eine Multi-Mineral-Intervention zur Bekämpfung proinflammatorischer Aktivität und zur Verbesserung der Barriere in menschlichen Kolon-Organoiden, 2023.
TEER wurde mit WPI’s EVOM™ Technologie gemessen, um die Wirkung verschiedener Verbindungen auf die Barriereintegrität des entzündeten menschlichen Kolons zu demonstrieren, modelliert mit menschlichen Kolon-Organoiden.
Warschkau et al., Von 3D zu 2D: Harmonisierung von Protokollen für zweidimensionale Kulturen auf Zellkultur-Inserts von intestinalen Organoiden verschiedener Spezies, 2022.
WPI’s hergestelltes Millicel ERS-2 wurde verwendet, um die Organoid-Entwicklung aus 2D-Kulturen zu optimieren, um die Gewebe-Barrierefunktion nachzuahmen und elektrophysiologische Tight Junctions in funktionalen Organoid-Kulturen zu entwickeln.
Salari et al. Menschliche Kolonoid-Myofibroblasten-Kokultur zur Untersuchung von apikalen Na+/H+ Austauscher der unteren Kryptenhalsregion, 2023.
WPI’s EVOM™ TEER-Messungen wurden verwendet, um die Funktionalität des parazellulären Transports von ko-kultivierten Myofibroblasten-Kolon-Epithelzellen im Vergleich zu Monokulturen zu quantifizieren, was zeigt, dass die räumlich organisierte Funktionalität der Kolon-Krypten in einem Organoid-System besser modelliert wird.
Deleu et al., Hohe Acetatkonzentration schützt die Darmbarriere und wirkt entzündungshemmend in organoid-abgeleiteten epithelialen Monolayerschichten von Patienten mit Colitis ulcerosa, 2023.
EVOM™ gemessene TEER wurde verwendet, um präklinisch die Auswirkungen hoher Acetatkonzentrationen auf Entzündungen und Barriereintegrität in organoidbasierten Monolayerschichten aus Patienten mit Colitis ulcerosa zu bewerten.
Zusammenfassend haben sich Organoide als leistungsstarkes Werkzeug zur Förderung der biomedizinischen Forschung und Arzneimittelentwicklung etabliert und bieten einzigartige Vorteile gegenüber Standardzellkulturen, 3D-Zellkulturen, Organ-on-a-Chip-Systemen und Tiermodellen. WPI unterstützt Organoid-Forschungsplattformen, und die TEER-Technologie von WPI war entscheidend für die funktionelle Bewertung von Organoiden hinsichtlich Barriereintegrität sowie Arzneimittelentdeckung und -entwicklung. WPI entwickelt und integriert weiterhin zusätzliche Technologien, die entscheidend sind, um die bestehenden Einschränkungen von Organoiden zu überwinden und den Weg für eine breite Anwendung dieser Technologie in verschiedenen Laboren, die eine Vielzahl von Krankheiten untersuchen, zu ebnen. Durch die Nutzung der Stärken mehrerer in vitro- und präklinischer Modelle und die Berücksichtigung ihrer jeweiligen Einschränkungen können Forscher vorhersagbarere und translationale Modelle zur Untersuchung der menschlichen Biologie und Krankheit entwickeln.
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