Was? Können im Körper von Schweinen „menschliche Nieren“ wachsen? Unsere Wissenschaftler haben es geschafft!

In Filmen und Fernsehdramen sehen wir oft Handlungen, in denen der Protagonist eine Organtransplantation benötigt. Diese Grundstücke sind tatsächlich nicht weit von uns entfernt.

Jedes Jahr warten etwa 300.000 Patienten aufgrund eines Organversagens im Endstadium auf eine Organtransplantation, die Zahl der jährlich durchgeführten Organtransplantationen beträgt jedoch nur etwa 20.000. Wenn wir in der Lage wären, so viele geeignete Organe zu produzieren wie Autoteile, könnten wir möglicherweise unzählige Patienten retten, die auf medizinische Behandlung angewiesen sind, oder sogar „Unsterblichkeit“ erlangen.

Im September 2023 veröffentlichten chinesische Wissenschaftler in der internationalen Fachzeitschrift Cell Stem Cell einen Titelartikel, in dem sie erklärten, dass es ihnen gelungen sei, eine humanisierte Niere im mittleren Stadium in einem Schwein zu züchten. Dies ist weltweit der erste gemeldete Fall einer xenogenen In-vivo-Kultivierung eines humanisierten funktionsfähigen Organs.

Bildquelle: Cover der aktuellen Ausgabe von Cell Stem Cell

Wie gelangt man von einer Zelle zu einem Organ?

Aus einem Samen kann durch Kultivierung ein gewaltiger Baum werden, und der „Same“, aus dem ein Mensch entsteht, wird als befruchtete Eizelle bezeichnet. Die befruchtete Eizelle ist eine allmächtige Zelle, die durch die Befruchtung von Spermium und Eizelle entsteht. Die sogenannte Allmacht liegt darin begründet, dass diese Zelle durch Zellvermehrung und -differenzierung 40 bis 60 Billionen Zellen mit gleichem Erbgut, aber gleichen oder unterschiedlichen Funktionen hervorbringen kann.

Darin schließen sich Zellen des gleichen Typs zusammen und bilden Gewebe mit bestimmten Strukturen und Funktionen . Beispielsweise entsteht unser Muskelgewebe durch die Ansammlung von Muskelzellen. Durch die organische Kombination sowie das Wachstum und die Entwicklung verschiedener Funktionsgewebe entstehen Organe mit bestimmten Formen und Funktionen . Das Herz besteht beispielsweise aus Myokardgewebe, Endokardgewebe und Perikardgewebe.

Bildquelle: pexels

Obwohl die Organbildung während der Embryonal- und Fötalperiode abgeschlossen ist und die meisten Organe bei Erwachsenen keiner umfassenden Regeneration und Rekonstruktion mehr unterliegen, verbleiben einige Stammzellen im Körper, um beschädigte Organe zu reparieren . Unsere Blutzellen entstehen beispielsweise durch die Teilung und Differenzierung hämatopoetischer Stammzellen aus dem Knochenmark. Dies ist auch der Grund, warum eine Knochenmarktransplantation Leukämie heilen kann. Bei einer Verletzung der Haut kommt es zur Differenzierung und Erneuerung der Basalschicht der Hautstammzellen, was auch der Schlüssel zur Wundheilung ist.

Im Prinzip können wir Organe in vitro züchten, indem wir Stammzellen gewinnen , aber Organe sind keine physische Überlagerung von Zellen; Sie erfordern eine präzise physiologische Regulierung.

Wie wird eine Organkultur in vitro erreicht?

Einblicke in die Entwicklungsregulationsmechanismen von Organen sind eine Voraussetzung für die Kultivierung von Organen in vitro . Dank der Bemühungen unzähliger Wissenschaftler haben wir ein vorläufiges Verständnis der Entwicklungsregulationsmechanismen von Organen erlangt, und auch Organe mit relativ einfachen Strukturen wie der Haut können in vitro kultiviert werden.

Im Jahr 2022 führte die Abteilung für Verbrennungschirurgie des Shanghai Changhai-Krankenhauses erfolgreich die erste „autologe Epidermiszelltransplantationstechnologie“ in China zur Reparatur großflächiger Verbrennungswunden durch. Das Operationsteam schnitt dem Patienten zunächst 5 Quadratzentimeter normale Haut ab und kultivierte diese dann in einer Zellkulturmatrix.

Unter der Einwirkung wachstumsregulierender Faktoren vermehrten sich die autologen Epidermiszellen innerhalb von zwei Wochen auf mehr als das 4.000-fache ihrer ursprünglichen Zahl und schließlich wurde die gebildete autologe Epidermiszellmembran dem Patienten transplantiert. Die anfängliche Genesungszeit von 2 bis 3 Monaten bei herkömmlichen Patienten wurde auf einen Monat verkürzt, die Heilungsrate der Hautschäden lag bei bis zu 100 % und der Patient konnte aus dem Bett aufstehen und normal gehen.

Für Organe, die komplexer sind als die Haut, verwenden Wissenschaftler biomedizinische Materialien, um die In-vitro- oder In-vivo-Kultivierung von Organen wie Muskeln, Knochen und Eierstöcken durchzuführen. Am Beispiel der Regeneration von Knochengewebe verwenden Wissenschaftler zunächst biomedizinische Materialien, um ein Zellgerüst zu bauen, das den dreidimensionalen Raum für das Überleben von Stammzellen einschränkt. Anschließend werden die abgetrennten autologen Osteoblasten, Knochenmarkstromastammzellen und Chondrozyten zur Kultivierung auf dem Zellgerüst befestigt. Unter der Stimulation regulatorischer Faktoren und der Einwirkung von Nährstoffen wachsen diese Stammzellen auf dem vorgefertigten dreidimensionalen Gerüst und bilden Knochen für die Transplantation.

Schematische Darstellung eines Hydrogel-Gerüsts auf Tofu-Basis zur Regeneration und Reparatur von Knochengewebe. Bildquelle: Referenzen [4] [5]

Obwohl es Wissenschaftlern gelungen ist, im Labor Mini-Herzen und Mini-Gehirne für komplexere Organe zu züchten, ist es aufgrund mangelnder gründlicher Forschung über die Entwicklungsmechanismen von Organen bisher nicht möglich, ein menschliches Organ mit geeigneter Größe und allen Funktionen für eine Transplantation im Labor zu züchten. Daher sind die Xenotransplantation und die Verwendung anderer Arten zur Züchtung menschlicher Organe zu einem der Forschungsschwerpunkte der Wissenschaftler geworden.

Allerdings gibt es bei der Transplantation oder Kultivierung xenogener Organe ernsthafte Sicherheitsprobleme, von denen das wichtigste die Immunabstoßung ist. Das Immunsystem ist die Abwehrabteilung unseres Körpers. Seine Funktion besteht darin, „selbst“ und „nicht selbst“ zu identifizieren, „selbst“ Bestandteile wie die Organe des Körpers zu schützen und „nicht selbst“ Bestandteile wie Viren, Bakterien und xenogene Organe abzutöten. Die Haupttodesursache bei Patienten, die zuvor eine xenogene Organtransplantation erhalten hatten, war eine Immunabstoßung.

Mit der Entwicklung der Biotechnologie bietet die Technologie zur Genomeditierung eine Lösung zur Verringerung der Immunabstoßung und Verbesserung der Überlebensrate bei Organtransplantationen.

Züchten Schweine „menschliche Nieren“?

Durch kontinuierliche Bemühungen haben Wissenschaftler ein tieferes Verständnis der Funktionen von Genen gewonnen, die für die Immunabstoßung und die Nierenbildung verantwortlich sind.

In dieser Studie verwendeten Wissenschaftler eine Technologie zur Genomeditierung, um die für die Immunabstoßung bei Schweinen verantwortlichen Gene auszuschalten und so ein immundefizientes Schweinemodell zu erhalten. Aber auch ohne Immunabstoßung ist es immer noch eine große Herausforderung, menschliche Stammzellen in Schweinen überleben zu lassen und sie in Schweinen zu humanisierten Nieren zu differenzieren.

Um chimäre Stammzellen mit starken Überlebens- und Differenzierungsfähigkeiten bei Schweinen zu erhalten, führte das Forschungsteam eingehende Untersuchungen zum Barrieremechanismus zwischen den Arten durch und fand heraus, dass die Überexpression der beiden Gene MYCN und BCL2 dazu führen kann, dass menschliche Stammzellen bei Schweinen besser überleben. Durch Zugabe von differenzierungsfördernden Verbindungen und regulatorischen Faktoren zum Stammzellkulturmedium erhielten wir schließlich Nierenstammzellen (4CL/N/B-Zellen) mit Überlebens- und Differenzierungsfähigkeiten.

Bildquelle: Referenz [1]

Nachdem die Kernfrage des Zellüberlebens gelöst ist, steht die Frage, wie man in Schweine transplantierte menschliche Stammzellen dazu bringen kann, Schweinestammzellen zu ersetzen und sich zu „humanisierten Nieren“ zu entwickeln, vor einer weiteren schwierigen Aufgabe für die Wissenschaftler. Das Forschungsteam beschloss, mehrere Schlüsselgene, die für die Entwicklung der Schweinenieren verantwortlich sind, auszuschalten, um nierenschwache Schweine zu erhalten und so ausreichend Entwicklungsraum für menschliche Zellen zu schaffen, die diese „ersetzen“ könnten. Diese als Embryokompensation bezeichnete Technik ist seit langem eine zentrale Herausforderung in der xenogenen Organkultur.

Durch die enge Zusammenarbeit mehrerer Forschungsteams und wiederholte Versuche konnte schließlich der optimale Plan zur Kultivierung humanisierter Nieren ermittelt werden: Durch die Injektion von 3 bis 5 menschlichen Stammzellen aus der Morula in das frühe Blastozystenstadium der Embryonalentwicklung kann die Möglichkeit zur Gewinnung chimärer Embryonen maximiert werden. Um gleichzeitig das Problem der Schwierigkeiten bei der Kultivierung chimärer Embryonen in vitro zu lösen, das auf die unterschiedlichen Kulturbedingungen von menschlichen und Schweinezellen zurückzuführen ist, ermittelte das Forschungsteam durch umfangreiche Untersuchungen die optimalen Kulturbedingungen für chimäre Embryonen. Dank der gemeinsamen Anstrengungen mehrerer Teams entwickelten sich die Nieren von fünf der 1.820 transplantierten Embryonen bis zum zweiten Stadium. Die Autopsie ergab, dass 70 % der Nierenzellen menschlichen Ursprungs waren, was darauf hindeutet, dass die Kultivierung chimärer Nieren erfolgreich war.

Der Prozess des Züchtens von Organoiden. Bildquelle: Referenz [1]

Tatsächlich werden neben Schweinen auch viele andere Tiere für die Organoidforschung verwendet, beispielsweise Affen, Mäuse, Ziegen usw. Doch ob es sich nun um Xenotransplantation oder Organkultivierung handelt, Schweine sind die häufigsten Organspender, da die Organe von Schweinen und Menschen im Vergleich zu anderen Tieren eine ähnliche Größe, Struktur und Funktion aufweisen und daher leicht zugeordnet werden können. Gleichzeitig haben Schweine als erwachsene Haustiere einen kürzeren Zuchtzyklus, geringere Zuchtkosten und weniger ethische Probleme als Primaten.

Welchen Nutzen hat die Kultivierung von Organoiden?

Neben der Niere werden auch Leber, Herz, Lunge und Darm in Organoidstudien untersucht. Die Forschung an Organoiden steckt noch in den Kinderschuhen, die Technologie ist noch sehr unausgereift und bis zu ihrer Anwendung bei Organtransplantationen ist es noch ein weiter Weg.

Herz-Organoide. Bildquelle: Referenz [2]

Die Anwendung von Organoiden in der Untersuchung der Organentwicklung und von Krankheitsmechanismen, der Krankheitsmodellierung und dem Arzneimittelscreening hat jedoch erste Ergebnisse erzielt . Im Bereich des Arzneimittelscreenings beispielsweise muss die Forschung und Entwicklung herkömmlicher Medikamente mehrere Phasen durchlaufen, etwa Tierversuche und klinische Forschung. Nicht nur ist die Forschung und Entwicklung langwierig und kostspielig, manche Medikamente sind auch hochgiftig und können bei Mensch und Tier zum Tod führen.

Die Verwendung von Organoiden zur Untersuchung von Toxizität und Wirksamkeit kommt den tatsächlichen Auswirkungen im menschlichen Körper nicht nur näher als Tierversuche, sondern kann auch den Forschungs- und Entwicklungszyklus verkürzen und Forschungs- und Entwicklungskosten sparen. Beispielsweise wurde das bispezifische Antikörpermedikament MCLA-158, das sich derzeit in klinischen Studien der Phase II befindet, anhand von Organoiden gescreent und hat hervorragende klinische Ergebnisse gezeigt. Auch beim Screening von Medikamenten gegen Dickdarmkrebs und Lungenfibrose haben Organoidmodelle erste Erfolge gezeigt.

Anwendungen von Organoiden. Bildquelle: Referenz [3]

Obwohl Organoide breite Anwendungsmöglichkeiten bieten, müssen wir uns auch der Herausforderungen und Grenzen bewusst sein. Beispielsweise ist unser derzeitiges Verständnis der Organentwicklung noch unvollständig, Organoide können die physiologischen Funktionen echter Organe nicht simulieren und die Technologie für die Organoid-Kultivierung ist noch nicht ausgereift.

Aber im Allgemeinen haben Organoide aufgrund ihrer einzigartigen Vorteile und ihres Potenzials breite Anwendungsaussichten in der Arzneimittelentwicklung, der Präzisionsmedizin, der regenerativen Medizin und anderen Bereichen. Sie könnten in der zukünftigen medizinischen Forschung eine wichtige Rolle spielen und zur menschlichen Gesundheit beitragen.

Verweise

[1] Zellstammzelle. 2023 Sep 7;30(9):1235-1245.e6. doi: 10.1016/j.stem.2023.08.003.

[2] Lee, J., et al. In-vitro-Erzeugung funktioneller muriner Herz-Organoide mittels FGF4 und extrazellulärer Matrix. Nat Commun 11, 4283 (2020).

[3] Corrò, C., Novellasdemunt, L. & Li, VSW Eine kurze Geschichte der Organoide. Am J Physiol Cell Physiol 319, C151-C165 (2020).

[4] Huang Keqing; Liu Guiting; Gu Zhipeng; Wu Jun. Tofu als hervorragendes Gerüst für eine mögliche Knochenregeneration. Chinesische Chemiebriefe (2020)

[5]Huang, Keqing; Gu, Zhipeng; Wu, Jun. Tofu-inkorporierte Hydrogele für eine potentielle Knochenregeneration. ACS BIOMATERIALS SCIENCE & ENGINEERING (2020)

Planung und Produktion

Quelle: Shanghai Science and Technology Museum (ID: sstm01)

Autor: Hu Zhiguo, PhD, Center for Excellence in Molecular Cell Science, Chinesische Akademie der Wissenschaften

Herausgeber: Bai Li