Organoide des menschlichen Knochenmarks im Miniaturformat

Diese Forschungsgeschichte „begann mit zwei Kindern, deren Eltern sich an die Experten für seltene angeborene Erkrankungen im „Haunerschen“ wandten“, erzählt Dr. Stephanie Frenz-Wießner, die Erstautorin der Studie. Die Kinder hatten in ihrem Erbgut eine neue Mutation und entwickelten schon früh ein Versagen des Knochenmarks. Dort werden täglich aus speziellen Stammzellen alle Zellen des menschlichen Bluts gebildet – ein unendlicher Nachschub.

Die Mutation indes führt zu einer sogenannten Myelofibrose. Dabei vernarbt das Gewebe im Knochenmark, wodurch es seine Funktionen nicht mehr ausreichend erfüllen kann. Die Folgen: zum Beispiel Blutarmut, Blutungen, ständige Infektionen.

„Wir wollten herausfinden, wo das Problem in der Knochenmarksnische liegen könnte“, sagt Frenz-Wießner, „aber wir hatten dafür einfach kein gutes Modell, um das zu untersuchen.“ So kam die Idee, ein dreidimensionales Organoid der Knochenmarksnische zu entwickeln. Das sind die Orte im Knochenmark, in dem sich die Blutstammzellen befinden – inmitten eines Netzwerks von Blutgefäßen sowie Vorläuferzellen von Knochen, Knorpel und Fett. Störungen der Nische, soviel ist bekannt, können zu Erkrankungen des Knochenmarks wie eben der Myelofibrose oder Leukämie beitragen.

Die Grundlage des Organoids sind induzierte pluripotente Stammzellen (iPS-Zellen), die von Forschenden der Kinderklinik gemeinsam mit Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern von Helmholtz Munich, dem Institut für Molekulare Biotechnologie in Wien und der MedUni Wien entwickelt wurden. Diese iPS-Zellen werden aus Haut- oder Nierenzellen gewonnen und in Haupt-Zelltypen des Knochenmarks innerhalb von drei Wochen differenziert.

Die Organoide bestehen aus einem Netzwerk von Blutgefäßen, verschiedenen Blutzelllinien und Bindegewebe. Durch die Einbettung in eine Extrazellulärmatrix entsteht eine dreidimensionale Architektur, die der natürlichen Knochenmarksnische ähnelt. Zudem zeigten die Organoide Eigenschaften von Blutstammzellen. Bei Mäusen transplantiert, lieferten sie zeitweise Nachschub an Blutzellen. Die Forschenden untersuchten damit erfolgreich die Knochenmarkserkrankung zweier Kinder und zeigten, dass Organoide mit Mutationen im VPS45-Gen Vernarbungen entwickelten, was die Funktionalität des Modells bestätigt.

„Durch diese Knochenmarksorganoide aus iPS-Zellen können wir nun komplexe Interaktionen zwischen verschiedenen Zelltypen des Knochenmarks im Labor untersuchen“, sagt Christoph Klein, „und so versuchen, die Entwicklung von Krankheiten wie Knochenmarkversagen oder Leukämien besser zu verstehen.“ Perspektivisch besteht außerdem die Chance, dass patienten-spezifische Organoide genutzt werden könnten, um individualisierte Therapien zu entwickeln und zu testen.

MEDICA.de; Quelle: LMU Klinikum