Selbstorganisierende menschliche Organoide eröffnen neue Möglichkeiten für die Erforschung von Krankheiten
Wie entwickeln sich Ihre Skelettmuskeln und Ihr Nervensystem auf koordinierte Weise und bilden letztendlich die funktionellen Schaltkreise, die es Ihnen ermöglichen, zu laufen, zu springen und zu tanzen? Die Antwort auf diese Frage könnte neue Wege zum Verständnis und zur Behandlung verheerender neuromuskulärer Erkrankungen wie der spinalen Muskelatrophie (SMA) und der amyotrophen Lateralsklerose (ALS) eröffnen. Um dies zu erreichen, benötigen Forschende präzise Modelle des menschlichen neuromuskulären Systems – und genau das hat sich das Projekt „GPSorganoids“ zum Ziel gesetzt. „Wir haben selbstorganisierende humane neuromuskuläre Organoide entwickelt, die wichtige funktionelle Interaktionen zwischen spinalen Motoneuronen und Skelettmuskeln originalgetreu nachbilden“, so Mina Gouti, Gruppenleiterin(öffnet in neuem Fenster) am Max-Delbrück-Zentrum für Molekulare Medizin(öffnet in neuem Fenster) (MDC), dem Projektträger. „Das Ergebnis ist eine leistungsstarke Plattform zur Erforschung der neuromuskulären Entwicklung, zur Aufdeckung von Krankheitsmechanismen und zur Bewertung potenzieller Therapien.“
Von der Modellierung von Krankheiten bis zur Entdeckung neuer Therapien
Das vom Europäischen Forschungsrat(öffnet in neuem Fenster) (ERC) geförderte Projekt lieferte mehrere sich ergänzende Fortschritte, die die Art und Weise verändern, wie Wissenschaftler das menschliche neuromuskuläre System erforschen. So konnten die Forschenden beispielsweise durch die Einführung kontrollierter elektrischer Stimulation in die neuromuskuläre Organoid-Plattform die Reifung und Funktionalität der Organoide deutlich verbessern. Laut Gouti zeigt diese Arbeit, wie die Integration von Entwicklungsbiologie und Bioingenieurwesen zur Erzeugung physiologisch relevanterer menschlicher Gewebe führen kann und damit neue Möglichkeiten für die Entwicklung immer ausgefeilterer Organoidmodelle eröffnet. Im Rahmen des Projekts wurde zudem eine selbstorganisierende Plattform für die neuromuskuläre Verbindung des Menschen entwickelt, die eine regionsspezifische Krankheitsmodellierung sowie eine skalierbare Wirkstoffforschung ermöglicht. Mithilfe dieser Plattform entwickelten die Forschende ein Modell der Verbindung zwischen einer Nerven- und einer Muskelfaser aus patientenspezifischen induzierten pluripotenten Stammzellen, um die Mechanismen zu untersuchen, die der SMA zugrunde liegen. „Zusammen bieten diese sich ergänzenden Technologien physiologisch relevante menschliche Modelle zum Verständnis von Krankheitsmechanismen, zur Identifizierung neuer therapeutischer Ansatzpunkte und zur Bewertung potenzieller Therapien und schaffen gleichzeitig skalierbare Plattformen, die die Wirkstoffforschung beschleunigen“, merkt Gouti an.
Die Bedeutung der neugiergetriebenen Forschung
Von selbstorganisierenden Organoiden über regionsspezifische Modelle bis hin zu skalierbaren Plattformen für die neuromuskuläre Verbindung hat GPSorganoids eine neue Generation von 3D-Modellen der menschlichen neuromuskulären Verbindung etabliert, die eine Brücke zwischen Grundlagenbiologie, Krankheitsmodellierung sowie der Entdeckung neuer Therapien schlagen. Die Arbeit zeigt, wie ERC-Spitzenforschung Europas Wettbewerbsfähigkeit stärkt(öffnet in neuem Fenster). „Ich bin zuversichtlich, dass unsere Arbeit Forschenden weltweit helfen wird, neuromuskuläre Erkrankungen besser zu verstehen und die Entwicklung neuer Therapien zu deren Behandlung zu beschleunigen“, bemerkt Gouti. Das Projekt rückte zudem die Bedeutung ambitionierter, von Neugier getriebener Forschung in den Fokus. So wollten die Forschenden beispielsweise ursprünglich das menschliche neuromuskuläre System in einer Petrischale nachbilden, indem sie die molekularen Signale der menschlichen Entwicklung nutzten. Dabei stellten sie jedoch fest, dass die Kombination von Entwicklungsbiologie und Bioingenieurwesen die physiologische Relevanz von Organoiden weiter steigern und völlig neue Möglichkeiten für therapeutische Entdeckungen eröffnen könnte. „Der Europäische Forschungsrat gab uns die Freiheit, diese unerwarteten Richtungen in der Biotechnik zu verfolgen, sodass wir nicht nur die ursprünglich gestellten Fragen beantworten, sondern auch völlig neue Forschungsrichtungen erschließen konnten, die letztlich der Gesellschaft zugutekommen werden“, fasst Gouti zusammen. Das Projekt erhielt einen ERC Proof of Concept Grant(öffnet in neuem Fenster), um die Herstellung und Analyse neuromuskulärer Organoide mithilfe von Robotik und fortschrittlichen Bildgebungsverfahren zu automatisieren. Damit wird der Weg für standardisierte humane Modelle und künftige Anwendungen in der personalisierten Medizin geebnet.
