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Geballtes Gewebe
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Der Biochemiker Dr. Julian Heuberger züchtet Organoide, Miniaturnachbildungen von Organen. Auf diese Weise simuliert er das Verdauungssystem und will so Tierversuche ersetzen.
Was sich da unter dem Mikroskop präsentiert, gleicht zunächst einer kleinen schimmernden Kugel. In der Vergrößerung entdeckt man auf ihrer Oberfläche eine Schicht dicht an dicht aufgereihter länglich-zylindrischer Zellen. Unter ihnen erscheint der Zellverband faserig und ungeordnet. Diese zu einer Art Ball angeordneten Zellen entstammen dem Darm. Die wissenschaftliche Bezeichnung für dieses Gebilde lautet „Organoid“. Dabei handelt es sich um eine winzig kleine Version eines „echten“ Organs, die diesem sehr ähnlich ist. Organoide werden intensiv erforscht und entwickelt, weil sie der Wissenschaft neue Wege eröffnen. Auch den, mit ihrer Hilfe Tierversuche zu ersetzen.
Der Mann hinter den ballförmigen Organoiden ist Dr. Julian Heuberger vom Deutschen Zentrum zum Schutz von Versuchstieren (Bf3R) am Bundesinstitut für Risikobewertung (BfRkurz fürBundesinstitut für Risikobewertung). Heuberger züchtet Darm-Organoide aus tierischen und menschlichen Zellen. Die Wand eines menschlichen Darms besteht aus mehreren Schichten: Zum Inneren hin das einschichtige Epithel als „Auskleidung“. Es bildet die Schleimhaut des Darms, die Nährstoffe aus dem Nahrungsbrei aufnimmt. Darunter liegt das mit Blutgefäßen durchzogene Bindegewebe (Stroma), gefolgt von einer äußeren Muskelschicht.
Das Organoid organisiert sich
Wie lässt sich das im Labor nachbauen? Heuberger hat eine elegante Lösung ausgetüftelt. Er bringt in einem Bioreaktor – einem besonderen Gefäß zum Züchten von Zellen – Stromazellen des Dickdarms mit den passenden Epithelzellen zusammen. Und dann geschieht das, was der Wissenschaftler „Selbstorganisation“ nennt: Die Epithelzellen schmiegen sich an die Stroma-Kugeln, verschmelzen mit ihnen und reifen weiter aus. Das Organoid organisiert sich selbst. „Nach wenigen Tagen ist der Kern aus Bindegewebe komplett von Epithel ummantelt“, sagt Heuberger.
Die auf diese Weise erzeugten Dickdarm- Organoide haben gegenüber bisherigen Organoid-Modellen erhebliche Vorteile. So ist die Zugabe wachstumsfördernder Faktoren nur sehr begrenzt erforderlich, da das Stroma selbst Wachstumsfaktoren herstellt. Zudem befinden sich in diesem zahlreiche Makrophagen (zum Immunsystem gehörende Fresszellen).
Damit verfügen die Organoide über ein weiteres wesentliches Element des „echten“ Darms, denn dieser ist reich an Zellen der Körperabwehr. Das Verfahren ermöglicht es außerdem, die wochenlang lebensfähigen Organkugeln in einer genau bestimmten Standardgröße herzustellen, was die Einsatzmöglichkeiten in Testsystemen deutlich erweitert.
Das Innere nach Außen
Der wichtigste Vorzug ist jedoch, dass das Epithel an der gut zugänglichen Oberfläche der Organoide ist. Seine Zellen bedecken den Gewebeball wie ein dichter Rasen. Das erleichtert es wesentlich, die Darmbarriere wissenschaftlich zu studieren, um zum Beispiel Infektionen, den Stoffwechsel und den Einfluss von Medikamenten oder Chemikalien auf den Organismus besser zu verstehen. „Wir haben das Innere des Darms nach außen gekehrt“, erläutert Heuberger. „Das Epithel badet jetzt gewissermaßen in einer Testflüssigkeit, während man die Epitheloberfläche im klassischen Organoid früher nur mühsam erreichte.“
Ein langer Weg
Gereifte Dickdarm-Organoide
Auch wenn die Idee von den künstlichen Miniatur-Organen bestechend ist und für Furore in der Wissenschaft sorgt, der Weg zur Anwendung als Ersatz für gesetzlich vorgeschriebene Tierversuche ist noch lang. Hinzu kommt, dass der Darm zwar ein wichtiges Organ ist, aber eben nur einen Ausschnitt des gesamten Körpers darstellt. Dennoch hat auch das schon Vorteile, denn an Organoiden können zum Beispiel Wirkstoffe getestet und eine Vorauswahl kann getroffen werden, bevor ein Tierversuch erforderlich ist.
Auch die Zusammenarbeit mit anderen Laboren ist dem Wissenschaftler wichtig, denn fast jedes hat bisher seine eigenen „Kochrezepte“. „Das mag für akademische Fragestellungen genügen“, sagt der Forscher. „Doch es erschwert die Standardisierung, die essenziell für die Anwendung von Alternativmethoden zum Tierversuch ist.“ Um gemeinsame Lösungen zu finden, kooperiert Heuberger unter anderem mit der Berliner Universitätsklinik Charité, der Technischen Universität Berlin und dem Max-Delbrück- Centrum für Molekulare Medizin in Berlin-Buch.
Nach mehreren wissenschaftlichen Stationen hat Julian Heuberger am Bf3R den für ihn idealen Platz gefunden, um seine Ideen in die Tat umzusetzen. Dazu trägt das wissenschaftliche Umfeld des Bf3R ebenso bei wie die Nähe zu den Berliner biomedizinischen Forschungseinrichtungen. Seit Oktober 2023 ist Heuberger am Bf3R – und schon jetzt sieht es ganz nach einer organischen Beziehung aus.
