Winzige Klümpchen. Enormes Potenzial
Wie Cluster lebender Zellen Wissenschaftlern Einblick in die Funktionsweise des Körpers geben
Auf den ersten Blick sieht das Gebäude des Instituts für Biomedizin von Eurac Research unscheinbar aus, doch unter der Erde, hinter hermetisch verschlossenen Türen, existiert eine Welt voller Möglichkeiten und erweitert sich stetig: Hier werden winzige Nachbildungen menschlicher Organe gezüchtet, manche so klein wie ein Stecknadelkopf, um Behandlungen zu testen und neue Ansätze zur Erforschung von Krankheiten zu entwickeln. Es handelt sich um Organoide, das sind verkleinerte und vereinfachte Versionen von Organen, die in vitro in drei Dimensionen gezüchtet werden, um die funktionelle, strukturelle und biologische Komplexität des Organs nachzuahmen. Doch bevor wir fortfahren, ist es wichtig, etwas klarzustellen: Organoide sind KEINE Organe.
Die winzigen dreidimensionalen Modelle menschlicher Gewebe, die so gestaltet werden können, dass sie sich beispielsweise wie Herz- oder Gehirnzellen verhalten, werden verwendet, um Behandlungen zu testen und die Reaktion von Patienten vorherzusagen. Dieser Ansatz in der biomedizinischen Forschung könnte also die Arzneimittelentwicklung beschleunigen und die Kosten senken. Herzorganoide können unter dem Mikroskop schlagen, was es ermöglicht, Therapien und Krankheitsmodelle genauer zu testen. Durch die gezielte Entwicklung bestimmter Organgewebe lassen sich sogar Krankheiten wie Parkinson, Diabetes, Krebs sowie neurologische und Entwicklungsstörungen wie Autismus nachbilden. Einfach ausgedrückt: Tests an Organoiden liefern genauere Ergebnisse als Tests an herkömmlichen 2D-Zellkulturmodellen.
Um diese Mechanismen weiter zu erforschen und bestimmte Eigenschaften und Verhaltensweisen der Zellen zu verbessern, werden Organoide häufig auf einen Chip gesetzt. Diese kleinen Geräte enthalten die winzigen, im Labor gezüchteten Gewebe, und der Chip ermöglicht es, ihre Umgebung so zu steuern, dass die Organoide sich in der gleichen Weise verhalten, wie sie es im Körper tun würden. Durch die Kombination von Tissue-Engineering (Gewebezüchtung) und Mikrotechnologie sind „Organe auf Chips“ (organs on chips, OoCs) innovative Versuchsplattformen für die Untersuchung von Krankheiten und die Erprobung von Medikamenten. Und damit nicht genug: Ihre Verwendung hat den Bedarf an Tiermodellen erheblich reduziert.
Das Institut für Biomedizin im NOI Techpark
Unter dem Mikroskop offenbaren die Gewebecluster, wie sich die Zellen in Echtzeit verhalten.
Angesichts der Entscheidung der US-amerikanischen Food and Drug Administration vom April dieses Jahres, Tierversuche für die Arzneimittelentwicklung schrittweise abzuschaffen und durch wirksamere, auf den Menschen bezogene Methoden zu ersetzen, wird der Trend auf der ganzen Welt verstärkt in Richtung von Alternativen wie Organoide, Computermodellierung und Bioprinting gehen. Und Bozen gewinnt in dieser spannenden neuen Technologie an Boden. Am Institut für Biomedizin von Eurac Research bedeutet verantwortungsbewusste Forschung auch, dass Wissenschaft und ethische Analyse Hand in Hand gehen. Um die idealen Bedingungen und Protokolle für die Organoid-Labors zu schaffen, war deshalb die Zusammenarbeit von Forschenden mit verschiedenen Hintergründen und Fachkenntnissen unerlässlich.
Von oben links nach unten rechts: Asiye Malkoc, Francesca Garilli, Paolo Cesare, Marcelo Rosato Siri, Francesca Pischedda, Katja Malfertheiner, Irma Della Corte, Mattia Volta, Sara Pizzi
Credit: Eurac Research | Annelie BortolottiIm Jahr 2023 begannen Forschungsleiter Mattia Volta und Senior Researcher Francesca Pischedda mit der Entwicklung von Laborprotokollen für die Erzeugung von Hirnorganoiden und die Durchführung von Experimenten, um zuverlässig reproduzierbare und damit aussagekräftige Ergebnisse zu gewährleisten.
Francesca betreut auch Asiye Malkoc, eine junge Post-Doc-Forscherin mit neurowissenschaftlichem Hintergrund. Asiye wendet ihre spezifischen Kenntnisse in der Hirnforschung auf die Arbeit mit menschlichen Zellen und Hirnorganoiden an. Ihre Aufgabe besteht darin, traditionelle neurowissenschaftliche Konzepte in den Kontext von Organoidmodellen zu übersetzen.
Zugute kommen dem Team auch Mattia Voltas fortschrittliche Bildgebungsmethoden, die eine detaillierte Beobachtung der Organoide ermöglichen – entscheidend, um Veränderungen in ihrer Entwicklung und Funktion verfolgen zu können. Mattia, Francesca und Asiye arbeiten gemeinsam an der Konzeption und Durchführung von Experimenten, die sich speziell auf Mittelhirn- und Hirnorganoide konzentrieren. Ein Schwerpunkt des Teams ist dabei die Erforschung der Parkinson-Krankheit (PD), im Besonderen der molekularen Mechanismen, die der Krankheit zugrunde liegen.
„Was mich an diesem Forschungsfeld besonders beeindruckt, ist die Geschwindigkeit, mit der es sich weiterentwickelt. Es werden ständig neue, fortschrittlichere Instrumente entwickelt, und jeder Schritt bringt uns dem wahren Verständnis der Funktionsweise des menschlichen Gehirns näher.“
Katja Malfertheiner
Der Elektrophysiologe Marcelo Rosato Siri untersucht, wie das elektrische System von Gehirn- und Herzzellen die neuronale Funktion und die Herztätigkeit steuert. Dank seiner Forschungsarbeit, die bioelektrische Signale visualisiert und aufzeichnet, ist es möglich, Zellreaktionen auf nichtinvasive Weise mit Hilfe von Licht und elektrischen Impulsen zu stimulieren und zu überwachen. So kann man die funktionellen Reaktionen der Organoide in Echtzeit verfolgen, ohne das Gewebe selbst zu stören.
Paolo Cesare ist ein weiterer Forschungsgruppenleiter des Instituts, dessen Arbeit sich darauf konzentriert, regionenspezifische Hirnorganoide zu gewinnen und sie mit fortschrittlichen Technologien zu kombinieren. Er und sein Team haben Mikroelektrodenarrays entwickelt, mit denen sich die elektrische Aktivität in 3D-Gehirnzellen messen lässt. Diese fortschrittlichen Werkzeuge verbinden Mikrofabrikation, Bioelektronik, fortschrittliche Zellmodelle und Mikrofluidik. So können winzige Flüssigkeitsmengen präzise gesteuert werden, um die Umgebung besser zu definieren, in der Organoide über lange Zeiträume kultiviert werden.
Marcelo Rosato Siri untersucht Zellen mit Hilfe von Licht und elektrischen Signalen, um Organoide nichtinvasiv und in Echtzeit zu überwachen.
Sara Pizzi entwickelt eine Forschungsplattform, die mikrofluidische Geräte mit innovativen Mikroelektroden und neuronalen 3D-Zellmodellen kombiniert, um effizient zu untersuchen, wie sich toxische Substanzen und Hirnerkrankungen auf Nervenzellen auswirken; der Schwerpunkt liegt dabei auf Eigenschaften wie elektrische Aktivität und Zellstruktur.
Katja Malfertheiner, eine von Pizzi betreute Doktorandin, züchtet vereinfachte Versionen des menschlichen Gehirns, die bestimmten Hirnregionen ähneln, und setzt sie auf Chips, um zu untersuchen, wie diese Bereiche miteinander interagieren und kommunizieren, sowohl in gesundem Zustand als auch bei Krankheit. Mit dieser Chiptechnologie ist es möglich, die elektrische Aktivität zu verfolgen – eine Art Miniversion eines EEGs, aber in einer Schale.
Irma Della Corte, eine Junior-Postdoktorandin in seinem Team, entwickelt diese Organ-on-a-Chip-Prototypen weiter, bei denen Mikrofluidik und Mikroelektroden eingesetzt werden, um Muskelkontraktionen zu steuern und das Verhalten der menschlichen Muskeln zu imitieren.
„Dieses Projekt begeistert mich, denn es stellt eine innovative Anwendung biomedizinischer Technik dar. Es bietet ein leistungsfähiges Werkzeug zur Untersuchung der Wechselwirkungen zwischen dem Nervensystem und dem Muskelsystem und dient als Plattform für das Screening von Medikamenten sowie für die Modellierung von Krankheiten in einem hochgradig kontrollierten mikroskaligen Umfeld.“
Irma Della Corte
Die Postdoktorandin Francesca Garilli hat vor kurzem ein neues Projekt begonnen, das sich mit der Züchtung von Organoiden beschäftigt, die Rückenmarksgewebe darstellen. Diese Strukturen enthalten Neuronen, die das Nervensystem in vivo mit den Skelettmuskeln verbinden. Diese Verbindung kann jedoch aufgrund bestimmter pathologischer Veränderungen verloren gehen, was zu schweren Krankheiten wie der amyotrophen Lateralsklerose (ALS) führen kann.
Wie die Organoide selbst, wächst auch das Institut und entwickelt sich weiter, während es diese Systeme erforscht, um die biomedizinische Forschung und Arzneimittelentwicklung zu verändern. Das Team aus Doktoranden, Forschenden und Industriefachleuten arbeitet mit multidisziplinärem Fachwissen zusammen und schafft Möglichkeiten für Kooperation und Innovation. Mit zukünftigen Entwicklungen im Chipdesign eröffnen sich Anwendungen in der Pharmakologie sowie Möglichkeiten zur Integration mehrerer Organmodelle für die Krankheitsmodellierung und für therapeutische Tests.
„Es ist großartig zu wissen, dass es möglich ist, eine so komplexe Verbindung direkt in einem In-vitro-System nachzubilden.“
Francesca Garilli
Diese winzigen, im Labor gezüchteten Klümpchen ahmen die Komplexität von echtem Gewebe nach und ermöglichen es, Krankheiten zu erforschen, Behandlungen zu testen und Therapien in einer Weise zu personalisieren, wie es bisher nicht möglich war. Indem sie die Abhängigkeit von Tiermodellen verringern und mehr auf den Menschen bezogene Entdeckungen ermöglichen, beschleunigen Organoide nicht nur den Weg zu sichereren, wirksameren Medikamenten, sondern eröffnen auch neue Möglichkeiten in der regenerativen Medizin. Während sich die Wissenschaft weiterentwickelt, bilden die Organoidtechnologien die Grundlage für einen patientenzentrierten Ansatz in der Gesundheitsversorgung.
INNo-CHIP
Ausbau der Organoid-Forschung und der regionalen Gesundheitstechnologien
Das Projekt INNo-CHIP entwickelt Organ-on-Chip-Technologie, die zur Verbesserung der medizinischen Forschung und der Entwicklung neuer Behandlungen beiträgt. Unter der Leitung des Instituts für Biomedizin von Eurac Research arbeiten mehrere Organisationen aus Italien und der Schweiz von der Europäischen Union kofinanzierten Projekt, darunter NOI Tech Park und FEMTOprint SA.
INNo-CHIP vereint Fachwissen in den Bereichen Materialwissenschaft, Biologie und Technologie und bringt 25 Organisationen zusammen, um biomedizinische Forschung in Südtirol, dem Kanton Tessin und den umliegenden Regionen direkt zu unterstützen.
Langfristig, so die Hoffnung, soll das Projekt diese Regionen zu einem Referenzpunkt für die Forschung an Organ-on-Chip-Modellen machen und dadurch Innovation, Wirtschaftswachstum und eine stärkere Zusammenarbeit zwischen Italien und der Schweiz im biomedizinischen Bereich fördern.
Die Entwicklung eines Prototyps der OoC-Technologie, der die menschliche Biologie genau nachahmt, könnte die Notwendigkeit von Tierversuchen verringern und den Prozess der Entwicklung neuer Arzneimittel und Therapien beschleunigen. Das Projekt zielt auch darauf ab, aufstrebende Unternehmen zu unterstützen und die Kommerzialisierung dieser Innovationen zu fördern.
CELLMED
Biomedizinische Forschung in Südtirol vorantreiben
CELLMED ist ein von der Europäischen Union kofinanziertes Projekt, das von Januar 2025 bis Januar 2028 läuft und vom Institut für Biomedizin der Eurac Research geleitet wird. Ziel des Projekts ist es, die Laborkapazitäten auszubauen und die angewandte biomedizinische Forschung durch die Entwicklung fortschrittlicher menschlicher Zellmodelle und Hochdurchsatztechnologien, einschließlich einer hochmodernen Bildgebungsplattform, zu unterstützen.
Der Schwerpunkt des Projekts liegt auf 2D- und 3D-Neuronenmodellen wie Organoiden und mikrophysiologischen Systemen, die wichtige Instrumente zur Entwicklung von personalisierten Therapieansätzen in der medizinischen Forschung sind.
Diese Modelle werden die detaillierte Zellanalyse, das Wirkstoffscreening und die Untersuchung von Krankheitsmechanismen unterstützen und bieten gute Möglichkeiten für die Zusammenarbeit mit Partnern aus der Wissenschaft und Industrie.
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