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Mini-Leber aus dem Labor ermöglicht neue Wege der Krankheitserforschung

Am bislang komplexesten Miniaturorgan dieser Art lassen sich Behandlungsmethoden und Krankheitsverläufe erforschen.
Diese im Labor gezüchtete Minileber schwimmt in einer Nährstofflösung. An dem Organ können Forscher Krankheitsverläufe beobachten und neue Behandlungen testen.
Die kleine, fleischige Masse sieht im Grunde wie eine menschliche Leber aus – jenes lebenswichtige Organ, das unter anderem die Verdauung unterstützt und das Blut reinigt. Allerdings stammt das Organ auf dem Tisch nicht aus einem menschlichen Körper. Wissenschaftler haben die Minileber aus menschlichen Zellen geschaffen. Es ist das komplexeste Organ dieser Art, das bisher in einem Labor gezüchtet wurde.

Das Forscherteam hat eine wichtige Aufgabe für seine neue Kreation: Es will diese Leber mit einer Krankheit infizieren.
Fettleibigkeit ist vor allem in den Industrienationen weltweit ein wachsendes Problem. Damit einher geht oft das Auftreten einer Fettleber. Bei diesem Krankheitsbild sammelt sich Fett in den Leberzellen und kann schlussendlich zum Organversagen führen. Allein in den USA sind derzeit etwa 80 bis 100 Millionen Menschen betroffen. Wie genau der Verlauf der Krankheit aussieht, ist nach wie vor unklar.

Bei vielen Krankheiten haben Tierstudien enorm zu unserem Verständnis für genetische Krankheitsfaktoren beigetragen. Allerdings unterscheidet sich die Biologie der Labormäuse beträchtlich von der des Menschen. Dieser jüngste Machbarkeitsnachweis in Form der Minileber verdeutlicht, dass solche gezüchteten Organe eine vielversprechende Möglichkeit darstellen, um Krankheitsverläufe an verschiedenen Erkrankungen zu beobachten, Behandlungsmöglichkeiten zu testen und ein besseres Verständnis für die grundlegenden Funktionen und Funktionsstörungen der Organe zu erhalten. „Das ist eine ziemlich clevere Methode, um funktionales Gewebe zu züchten, an dem eine menschliche Lebererkrankung modelliert werden kann

Die Zukunft ist: das Synthetisieren und die Herstellung menschlicher Organe, deren Genome man beliebig manipulieren kann, um Krankheiten zu imitieren und deren Biologie zu erforschen“, glaubt das Forscher-Team von der University of Pittsburgh School of Medicine.

Solche Miniaturorgane, die oft als Organoide bezeichnet werden, kommen in der Forschung immer häufiger zum Einsatz. Wissenschaftler züchten kleine Versionen von Gehirnen, Mägen, Speiseröhren und mehr. Die meisten dieser Laborzüchtungen sind winzig: Sie bestehen aus Zellklumpen, die oft nur wenige Millimeter messen. Obwohl diese Organoiden die biologische und medizinische Forschung revolutioniert haben, ist ihre Funktionsfähigkeit eingeschränkt. Die tatsächlichen Organfunktionen laufen dort nur in sehr vereinfachter Weise ab.

Mit der Minileber in der neuesten Studie wollten die Wissenschaftler hingegen die Komplexität eines lebensechten Organs simulieren. Deshalb züchteten sie eine Leber, die ganze fünf bis sieben Zentimeter misst. Um das zu erreichen, sammelte das Team menschliche Hautzellen und veränderten deren Genom, sodass sie mit einem einzigen Tropfen einer besonderen Lösung die Aktivität eines bestimmten Gens dämpfen konnten.

Das Ziel dieser Übung war das Gen SIRT1, das sich in Tierstudien als wichtiger Faktor für die Fettanreicherung in Lebern erwiesen hatte. Die Forscher programmierten die Hautzellen so, dass sie sich zu pluripotenten Stammzellen zurückbildeten – ein Zelltyp, der sich zu jeder Zelle im menschlichen Körper weiterentwickeln kann. Im Anschluss ließen sie daraus neue Leberzellen entstehen.

Ein Bioreaktor hält die Minileber am Leben und versorgt sie mit Sauerstoff und Nährstoffen. Mit diesem System können Wissenschaftler den Krankheitsverlauf beobachten und Behandlungsmethoden testen. Allerdings ist ein Haufen Zellen in einer Petrischale noch lange kein komplettes Organ. Damit daraus eine Leber werden kann, benötigen sie eine gewisse Struktur. An dieser Stelle kamen Ratten ins Spiel.

Frühere Studien hatten offenbart, dass man Rattenlebern mit einem bestimmten Spülmittel reinigen kann, welches das für die Nagetiere typische Gewebe entfernt. Zurück bleibt eine durchsichtige Leberstruktur. Diese gibt den Zellen nicht nur ihre Anordnung vor, sondern lenkt auch die Wartung und Entwicklung des Gewebes.

Die Forscher fügten ihre veränderten Leberzellen in die transparente Struktur ein und schoben noch einige andere Zelltypen hinterher, die in menschlichen Lebern vorkommen, darunter zum Immunsystem gehörende Makrophagen und Bindegewebszellen namens Fibroblasten. Binnen drei bis vier Tagen begann die Miniaturleber Form anzunehmen.
Im Anschluss daran unterdrückten die Forscher die Aktivität von SIRT1 und simulierten so die Krankheit, die sie erforschen wollten. Binnen 24 Stunden begann sich Fett in der Leber zu sammeln. Die fertigen Minilebern weisen eine verblüffende Ähnlichkeit zu kranken menschlichen Lebern auf.

Noch ist das System nicht perfekt. Eine Lebererkrankung ist ein komplexer Prozess, den man nicht nachahmen kann, indem man die Expression eines einzigen Gens verändert. Außerdem sei nach wie vor unklar, ob die im Labor gezüchteten Leberzellen exakt so funktionieren wie die Zellen in einem menschlichen Körper.

Die jüngste Studie macht aber Hoffnung für die künftige Erforschung zahlreicher Krankheiten. Eines Tages mag es sogar möglich sein, lebensgroße Organe in Laboren zu züchten, die dann als Organtransplantate dienen können. Derzeit müssen die meisten Empfänger von Spenderorganen Medikamente nehmen, damit ihr Körper das fremde Gewebe nicht abstößt. Aber wenn Ärzte Organe im Labor aus den Zellen des Patienten züchten könnten, könnte sich womöglich die lebenslange Medikamenteneinnahme erübrigen.

Derzeit liegt eine solche Technologie noch Jahre in der Zukunft, aber die nächsten Schritte werden spannend, wenn noch komplexere Systeme erzeugt werden, um Krankheiten zu erforschen, und mehrere Gene simultan beeinflussen, um die daraus resultierenden Effekte zu untersuchen.