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Organoide: Mit Miniorganen Covid-19-Rätsel lösen

Man nehme einen kleinen Darm, infiziere ihn mit Sars-CoV-2 – fertig ist das Super-Miniorgan. Der Zweck: Erklären, wie das Coronavirus den Körper befällt und wie man es stoppen kann.
Darmorganoide wurden mit dem Virus Sars-CoV-2 infiziert. Laden...

Fast ein halbes Jahr lang hat Shuibing Chen winzig kleine Lungen gepflegt, und zwar viele: etwa eine halbe Million. Jede einzelne sah aus wie eine winzige Gewitterwolke, eingebettet in einer warmen Petrischale und geschützt durch eine geleeartige Kuppel. Chen ist Stammzellbiologin an der Weill Cornell Medicine in New York City. Mit ihrem Team hat sie diese winzigen Lungen aus Klumpen menschlicher Zellen gezüchtet. Die Lungenorganoide reiften, bis sie die Größe einer Linse hatten. Dann packte das Team sie ein und transportierte sie ein paar Straßen weiter in ein Labor, das für die Arbeit mit Sars-CoV-2 zugelassen ist. Dort setzten die Forschenden die Organoide dem Virus aus, und übergossen zudem jedes mit einem von 15 000 Medikamenten. Fast alle der Minilungen starben, aber einige der Medikamente konnten die Infektion eindämmen – das macht sie zu möglichen Wirkstoffen gegen Covid-19.

Chen ist eine von vielen ihres Fachs, die die Pandemie antreibt, die Grenzen der Organoid-Technologie zu verschieben. Im Jahr 2020 haben Forscher Minilungen, -eingeweide, -lebern, -gehirne und mehr geschaffen, um zu untersuchen, wie Sars-CoV-2 die Organe infiziert. Sie haben gelernt, welche Zellen das Virus angreift, wie schnell der Angriff erfolgt und wie die Zellen zurückschlagen.

Das Organoid wurde aus Zellen aus den Luftsäckchen der Lunge, den Alveolen, gezüchtet.Laden...
Lungenorganoid in der Petrischale | Das Organoid wurde aus Zellen aus den Luftsäckchen der Lunge, den Alveolen, gezüchtet.

»Organoide haben ihren Weg in den Werkzeugkasten der Virologen gefunden«, sagt Hans Clevers, Entwicklungsbiologe am Hubrecht-Institut in Utrecht, Niederlande. Bislang wurde die Technologie vor allem zur Erforschung der grundlegenden Humanbiologie, der menschlichen Entwicklung und damit zusammenhängender Störungen sowie von Krebserkrankungen eingesetzt. Nur wenige Labore nutzten die Modelle um Viren und Infektionskrankheiten zu untersuchen. Aber die Pandemie hat Organoide ins Zentrum der Aufmerksamkeit gerückt. Das habe zu hochrangigen Veröffentlichungen geführt und den Wert der Organoide für die Medikamentenentwicklung gezeigt, sagt Clevers.

»Die Organoid-Technologie hat von der Pandemie bisher mehr profitiert als der Kampf gegen Covid-19 von den Organoiden«(Hans Clevers, Entwicklungsbiologe)

Außerdem ergänzen sie bisherige Methoden zur Untersuchung von Viren. In der Virologie oft verwendet, ist eine krebsartige Zelllinie aus der Niere eines afrikanischen Primaten, der Westlichen Grünmeerkatze (Chlorocebus sabaeus). Die Zelllinie wurde erstmals vor fast 60 Jahren extrahiert und teilt sich seitdem unablässig. Diese Zellen, bekannt als Vero-Zellen, eignen sich hervorragend, um Viren zu vermehren. Allerdings spiegeln sie die normale antivirale Reaktion des menschlichen Körpers nicht wider. Sie sind »wirklich verkorkst«, wie Elke Mühlberger sagt, eine Virologin an der Boston University in Massachusetts. Die Forscherinnen und Forscher verwenden auch einige krebsartige menschliche Zelllinien, aber ähnlich wie die Vero-Zellen reagieren diese nicht so auf Infektionen, wie es normale Zellen tun würden.

Obwohl die Forschungsgemeinschaft weiß, dass Organoide bei der Erforschung neuer antiviraler Medikamente helfen können, hat ihre Arbeit noch keine neuen Behandlungen hervorgebracht. »Die Organoid-Technologie hat von der Pandemie bisher mehr profitiert als die Behandlung von Covid-19 von den Organoiden«, sagt Clevers. Um das volle Potenzial der Technologie auszuschöpfen, müssen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler noch Wege finden, komplexere Systeme zu züchten, etwa indem sie Immunzellen und Blutgefäße hinzufügen. Außerdem müssen sie den Produktionsprozess weiter optimieren, um Tausende, wenn nicht gar Millionen einheitlicher Organoide schnell und kostengünstig herzustellen. Die Methode, mit Organoiden Viren zu verstehen, sei noch am Anfang, sagt Jie Zhou, Virologe an der Universität von Hongkong.

Die Virologin Mary Estes erinnert sich gut an die unappetitliche Methode, mit der sie arbeitete, bevor sie auf Organoide für ihre Forschung setzte. Sie untersuchte das hochansteckende Brechvirus Norovirus, das sich nicht im Labor züchten ließ. Also isolierte sie es stattdessen aus den Ausscheidungen von Menschen, die es für Forschungszwecke freiwillig zu sich nahmen. 2011 sah sie eine Arbeit von Clevers, in der er Minidärme aus Stammzellen züchtete, die er von den Zotten abgeschabt hatte – den winzigen Tentakeln, die den Darm des Menschen auskleiden. Clevers hatte die ersten Organoide aus adulten Stammzellen geschaffen. Unter den richtigen Bedingungen wachsen sie fast unbegrenzt und bauen sich selbst zu komplexen Strukturen auf, die ihr Ursprungsorgan widerspiegeln.

Ein Modell für Krankheiten

»Ich dachte, das sieht nach einem System aus, das wir ausprobieren sollten«, sagt Estes, die am Baylor College of Medicine in Houston, Texas, tätig ist. »Niemand sonst hat diese Kulturen damals für die Virologie verwendet.« Im Jahr 2016 – fast ein halbes Jahrhundert nach seiner Identifizierung – züchtete Estes das humane Norovirus als Erste auf eine Art und Weise, die reproduzierbar war: in einem Darmorganoid.

Ihre Studien bewiesen, dass Organoide ein gutes Modell für Krankheiten beim Menschen sind. Estes Forschung zeigte: Züchtete man Organoide aus Zellen von Menschen, die sich normalerweise nicht mit dem Norovirus infizierten, konnte der Erreger sich nicht vervielfachen. Seitdem haben Forscherinnen und Forscher mit Hilfe der Organoide viele weitere Viren untersucht. Eines davon ist das Respiratorische Synzytialvirus (RSV) – eine häufige Ursache für Lungeninfektionen bei Kindern – in Organoiden der Atemwege und das seltene und mysteriöse BK-Virus in Nierenorganoiden.

Wie tödlich ist das Coronavirus? Was ist über die Fälle in Deutschland bekannt? Wie kann ich mich vor Sars-CoV-2 schützen? Diese Fragen und mehr beantworten wir in unseren FAQ. Mehr zum Thema lesen Sie auf unserer Schwerpunktseite »Ein neues Coronavirus verändert die Welt«. Die weltweite Berichterstattung von »Scientific American«, »Spektrum der Wissenschaft« und anderen internationalen Ausgaben haben wir zudem auf einer Seite zusammengefasst.

Im Jahr 2016 infizierte ein Team sich entwickelnde Hirnorganoide mit dem Zika-Virus. Die Gruppe konnte eine Verbindung zwischen der Infektion bei schwangeren Frauen und Mikrozephalie herstellen, einem Zustand, bei dem ein Fötus einen atypisch kleinen Kopf hat. Zehn Tage nach der Infektion waren die Hirnorganoide 40 Prozent kleiner als die nicht infizierten Organoide. Diese neuralen Vorläuferzellen seien »ein fruchtbarer Boden für eine Zika-Infektion«, sagt Patricia Garcez. Die Neurobiologin an der Federal University of Rio de Janeiro in Brasilien hat die Arbeit geleitet.

Wieso verbreiten sich manche Viren schneller?

Im Jahr 2018 entwickelten Zhou, Clevers und ihre Kolleginnen und Kollegen ein Lungenorganoid, das sich eignet, die Infektiosität eines aufkommenden Grippevirus schnell zu bewerten. Stämme, von denen bekannt ist, dass sie bei Menschen hochinfektiös sind – einschließlich desjenigen, der die H1N1-Grippepandemie von 2009 verursachte –, vermehrten sich in den Organoiden viel schneller als Stämme, die normalerweise Schweine und Vögel infizieren. Abgesehen von diesen Beispielen hatten bis zum Ausbruch der Pandemie nur wenige Virologinnen und Virologen mit Organoiden experimentiert.

Es dauerte nicht lange, bis Clevers das Potenzial seiner Organoidmodelle für die Untersuchung eines unbekannten Virus mitten in einer Pandemie erkannte. Es gab klare Hinweise, dass das Virus den Darm befallen könnte, besonders bei Kindern, sagt Clevers. Er fragte sich, ob mit Hilfe seiner Darmorganoide zu sehen war, ob das Virus Darmgewebe infizieren könnte. Am 15. März 2020 – dem Tag, an dem die Niederlande abgeriegelt wurden – forderte er Proben von Sars-CoV-2 bei Kolleginnen und Kollegen in Rotterdam an. Innerhalb von sieben Wochen veröffentlichten er und sein Team eine Publikation in »Science». Die Arbeitsgruppe zeigte, dass sich Sars-CoV-2 leicht in Minidärmen replizierte und speziell Zellen angriff, die den Darm auskleiden, die Enterozyten. Die Studie lieferte einen Erklärungsansatz dafür, dass einige Menschen mit Covid-19 Verdauungsprobleme haben, und identifizierte einen weiteren möglichen Übertragungsweg.

Interaktives 3-D-Modell | Mit wenigen Klicks können Sie in die einzelnen Bestandteile des Coronavirus zoomen.

Sars-CoV-2 kann eine Vielzahl von Miniorganen infizieren, von der Leber über die Nieren bis hin zum Gehirn. Im Labor konnten Forscherinnen und Forscher die Multiorganschäden nachbilden, die bei einigen Menschen mit Covid-19 beobachtet werden. Das Organ, dem aus gutem Grund die meiste Aufmerksamkeit geschenkt wurde, ist die Lunge. Tief in der Lunge befinden sich winzige Luftsäcke, die Alveolen, die sich bei Menschen mit schwerem Covid-19 entzünden. Es entsteht eine Lungenentzündung. Diese Zellen sind schwer zugänglich und schwer zu untersuchen. Catherine Blish, eine Virusimmunologin an der Stanford University, und ihr Team nutzten daher Zellen, die spontan diese Luftsäcke bilden.

Minilungen zeigen, wie das Virus wütet

Dabei fanden sie heraus: Das Virus wütete in Organoiden, die aus Alveolen und aus Zellen in den winzigen Atemwegen, die sie versorgen, hergestellt wurden. In den Alveolen zielte Sars-CoV-2 auf die Zellen, die die luftexponierte Oberfläche bedecken. Diese Zellen bilden auf ihrer Oberfläche viele der ACE2-Rezeptoren, über die Sars-CoV-2 in sie eindringt. Das Virus befiel auch Zellen in den Atemwegen, die ein Molekül zur Bewältigung der ständigen Dehnung in der Lunge absondern, die Keulenzellen. »Ohne Organoide wüsste ich nicht, wie wir hätten entdecken können, dass Keulenzellen die Vervielfältigung von Sars-CoV-2 unterstützen. Niemand wäre auf die Idee gekommen, es auf Keulenzellen zu übertragen«, sagt Blish.

Andere Studien in Minialveolen zeigen Details des Kampfes zwischen dem Virus und den Zellen: Es dauert etwa einen Tag, bis die Zellen sich zu wehren beginnen, wie Young Seok Ju herausgefunden hat, ein Genomforscher am Korea Advanced Institute of Science and Technology in Daejeon. Es kommt zu einem Kampf zwischen den Zellen und dem Virus. Ab dem dritten Tag beginnt mehr als ein Viertel der Zellen zu sterben.

LungenorganoidLaden...
Lungenorganoid | Lungenorganoide enthalten Zellen, die besonders anfällig für das Coronavirus (rot) sind. Dazu gehören unter anderem Keulenzellen, die normalerweise eine schützende Substanz bilden.

Wie das Virus in die Zellen gelangt, ist ebenfalls von Interesse. In einer Studie nutzten Forscherinnen und Forscher die Gen-Editing-Technik CRISPR in Darmorganoiden und konnten so weitere Proteine – TMPRSS2 und TMPRSS4 – identifizieren, die es mit ACE2 das Eindringen des dem Virus erleichtern, in Zellen einzudringen. Andere Labors schalten ACE2 komplett aus, um zu sehen, ob das Virus trotzdem hineingelangt. »Je mehr wir Organoide untersuchen, desto mehr erkennen wir, dass verschiedene Zelltypen unterschiedliche Mechanismen nutzen, um das Eindringen des Virus zu unterstützen«, sagt Chen.

Organoide wurden auch verwendet, um neue Varianten von Sars-CoV-2 zu analysieren. In einer Vorabveröffentlichung untersuchten Clevers und sein Team menschliche Atemwegs-, Alveolar- und Darmorganoide. Sie berichteten, dass die Variante B.1.1.7, die zuerst in Großbritannien identifiziert wurde, in späteren Infektionsstadien größere Mengen an infektiösem Virus produzieren kann als zuvor zirkulierende Varianten. Das könnte wiederum erklären, warum B.1.1.7 sich schneller überträgt.

»Wären die ursprünglichen Wirkstoff-Screens an Organoiden statt an Vero-Zellen durchgeführt worden, wäre Chloroquin nie als viel versprechender Kandidat zur Bekämpfung von Covid-19 aufgetaucht«(Hans Clevers, Entwicklungsbiologe)

Ein Blick aus der ersten Reihe auf das Virus und seinen Weg durch den Körper könnte dazu beitragen, es zu stoppen. Organoide helfen, die Lücke zwischen der Beobachtung des Virus in Zelllinien und in Tiermodellen zu schließen. Zwar fehlt reinen Zelllinien die Komplexität von echtem Gewebe. Tiermodelle spiegeln die menschliche Infektion allerdings auch nur unzureichend wider und sind teuer, sagt Arinjay Banerjee. Der Coronavirus-Forscher an der University of Saskatchewan in Kanada plant daher, Darmorganoide in seiner Arbeit zu verwenden.

Zahlreiche Medikamente, die in Zellblättern vielversprechend aussehen, versagen in späteren Stadien, sagt Blish. Ein gutes Beispiel ist Hydroxychloroquin, das zu den ersten Medikamenten gehörte, die zur Behandlung von Covid-19 angepriesen wurden. Studien in Vero-Zellen legten nahe, dass Chloroquin das Virus blockieren könnte – aber spätere klinische Studien zeigten, dass es keine schützende Wirkung hatte. Clevers und andere untersuchten, wie Sars-CoV-2 Darmorganoide infiziert, und sahen, dass es andere Wege nahm als in Vero-Zellen. Sie entdeckten, dass Hydroxychloroquin den Weg des Virus in Vero-Zellen blockieren konnte, nicht aber in Organoiden. »Wären diese ursprünglichen Wirkstoff-Screens an Organoiden statt an Vero-Zellen durchgeführt worden, wäre Chloroquin nie als aussichtsreicher Kandidat aufgetaucht«, sagt Clevers.

Viele Forschungsgruppen versuchen, das Potenzial von Organoiden für die Wirkstoffforschung zu nutzen. Chen hat rund 1000 Medikamente an Minidärmen und Minilungen getestet und sieben identifiziert, die Erfolg versprechend aussehen. Darunter ist auch das antivirale Medikament Remdesivir, das in klinischen Studien bereits einen gewissen Nutzen für Teilnehmer gezeigt hatte. Chen sieht ihre Ergebnisse als Beweis für den Nutzen des Organoid-Screenings.

Auf dem Bild wird gezeigt, wie das Virus (weiß) das Darmorganoid infiziert. Das könnte erklären, warum manche Menschen Magen-Darm-Beschwerden bei einer Coronainfektion haben. Laden...
Darmorganoid | Auf dem Bild wird gezeigt, wie das Virus (weiß) das Darmorganoid infiziert. Das könnte erklären, warum manche Menschen Magen-Darm-Beschwerden bei einer Coronainfektion haben.

Was das Coronavirus gefährlich macht

Das Screening von 15 000 Medikamenten in Lungenorganoiden war ihr bisher größter Versuch. Wochenlang hat Chen an ihren Methoden gefeilt, um Organoide zu erzeugen, die einander so ähnlich wie möglich sind. »Wir machen uns immer Sorgen, dass wir Äpfel mit Birnen vergleichen könnten«, sagt die Biologin. Das Screening ist Teil eines größeren Projekts, bei dem mehrere Labore verschiedene Methoden zur Untersuchung derselben Substanzen anwenden und ihre Ergebnisse miteinander vergleichen.

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler haben an Organoiden bereits Impfstoffe getestet. Im Januar 2021 entwickelten Forscher Minimandeln aus menschlichem Gewebe, das bei einer Operation entnommen worden war. Die Mandeln spielen beim Menschen eine Schlüsselrolle in der körpereigenen Abwehr; sie sind oft das erste Organ, das Immunzellen gegen einen Erreger produziert. Als die Forscher einen Covid-19-Impfstoffkandidaten hinzufügten, produzierten einige der Mandelorganoide eine Immunreaktion: Sie erzeugten Killer-T-Zellen sowie Antikörper, die gegen das Spike-Protein auf der Oberfläche des Virus gerichtet sein könnten.

Dennoch fehlt noch viel Wissen darüber, ob das, was in der Schale passiert, auch das widerspiegelt, was im Menschen geschieht. Außerdem existieren die Organe im Körper nicht isoliert. Um wirklich zu verstehen, bei einer Infektion abläuft, benötigen Forschende komplexere Systeme, die Immunzellen und Blutgefäßzellen umfassen. In einer unveröffentlichten Arbeit hat Takanori Takebe, ein Stammzellbiologe an der Tokyo Medical and Dental University, Blutgefäßzellen auf Leberorganoiden gezüchtet und festgestellt, dass kleinere Kapillaren und Venen anfälliger für eine Sars-CoV-2-Infektion sind als größere. Chen hat bestimmte Immunzellen, die Makrophagen, auf Herzmuskelzellen gezüchtet. Im nächsten Schritt will sie den Versuch auf ihre Lungenorganoide übertragen. Diese Experimente könnten mit Studien an Tiermodellen dazu beitragen, das Rätsel zu lösen, was Covid-19 so tödlich macht – das Virus selbst oder eine hyperaktive Immunreaktion.

Im Idealfall wollen die Forscher und Forscherinnen Organoide miteinander verknüpfen können. Diese Systeme könnten zum Beispiel zeigen, wie eine Infektion, die in der Lunge beginnt, das Herz oder den Darm beeinflusst. »Der Traum eines jeden Virologen wäre es, verschiedene Organe miteinander zu verbinden«, sagt Mühlberger. »Je näher wir an das menschliche Organ herankommen, desto besser wird es sein, desto mehr werden wir darüber lernen, warum Viren so pathogen sind.« Im Jahr 2019 hat Takebe Organoide von Leber, Gallengang und Bauchspeicheldrüse miteinander verbunden, aber bisher hat noch kein Team Arbeiten veröffentlicht, die Multi-Organ-Modelle zur Untersuchung von Sars-CoV-2 verwenden.

Vorbereitung auf die nächste Pandemie

Die Beziehungen, die zwischen der Zellbiologie und der Virologie entstanden sind, werden die aktuelle Pandemie wahrscheinlich überdauern. Für jedes Organoid, das Mühlberger mit Sars-CoV-2 infiziert hat, hat sie parallele Experimente mit dem Ebolavirus durchgeführt. Dabei hat sie herausgefunden, dass das Ebolavirus fast jedes Gewebe infizieren kann und sogar in Regionen vordringt, in die Sars-CoV-2 nicht vordringen kann. Diese Fähigkeit könnte Mühlberger zufolge Ebola so tödlich machen.

Anfang 2020 wandte sich Zhou an Shi Zheng-Li, eine Virologin am Wuhan Institute of Virology in China, die gerade dabei war, den nächsten bekannten Verwandten von Sars-CoV-2 zu identifizieren – das Fledermaus-Coronavirus RATG. Shi sagte, sie habe Hunderte von Coronaviren aus Fledermäusen sequenziert, aber nur eine Hand voll von ihnen züchten können. Zhou fragte sich, ob Organoide aus Fledermausgewebe vielleicht helfen, Medikamente gegen eine breite Palette von Viren zu testen, die die Menschen potenziell infizieren könnten.

Im Versuch schnitt Zhou Fragmente des Darms von wilden Hufeisenfledermäusen (Rhinolophus sinicus) ab und schuf Miniatur-Fledermausdärme, die aus verschiedenen Zelltypen bestehen. Sars-CoV-2 wuchs gut auf den Därmen – der erste experimentelle Beweis, dass das Coronavirus in der Lage ist, in Hufeisennasenfledermäusen zu leben. Das stützt die Hypothese, laut der es von Fledermäusen stammt.

Viren mit Organoiden zu untersuchen, ist noch neu. Viele Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler halten diese Technologie aber für aussichtsreich, um die Wechselwirkungen zwischen menschlichen Zellen und Viren zu erforschen. Dank ihr könnten wir der nächsten Pandemie besser begegnen, hofft Ju. »Das sind magische Kulturen«, sagt Estes. »Der Fantasie [zur Erforschung] sind keine Grenze gesetzt.«

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