Formierung von tubulären Nierenstrukturen in Organoiden aus pluripotenten Stammzellen. (Bild: Dr. Krithika Hariharan)

31.07.2020

Mit Bioprints vom Regenerationspotenzial der Natur lernen

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Warum erholen sich manche Patientinnen und Patienten nach einem akuten Nierenversagen wieder, während andere ein chronisches Nierenleiden entwickeln? Weil Tiermodelle diese wichtige Frage nicht beantworten können, entwickeln Forschende am BIH Centrum für Regenerative Therapien (BCRT) eine „menschliche“ Alternative: Die Mini-Nieren werden aus pluripotenten Stammzellen hergestellt und mit dem 3D-Drucker zu Bioprints ausgedruckt. In etwa einem Jahr können die ersten Experimente an dem neuen 3D-Modell beginnen.

Der menschliche Körper verfügt über ein erstaunliches Regenerationspotenzial. Zum Beispiel können sich die Nieren nach einem akuten Nierenversagen (AKI) oft wieder vollständig erholen. Ein akutes Nierenversagen tritt zum Beispiel nach Operationen auf, und ist auch eine häufige Folgekomplikation einer schweren COVID-19-Erkrankung.

Die Chance, dass die Nieren nach so einem Ereignis wieder regenerieren, stehen allerdings nur 50:50. Das bedeutet, dass jeder zweite Patient eine chronische Nierenerkrankung entwickelt, manchmal bis hin zum kompletten Funktionsverlust der Niere, der viele an die Dialyse zwingt. Bislang weiß man nicht, warum bei dem einen die Nieren wieder regenerieren und bei dem anderen nicht. Würde man das Geheimnis kennen, ließen sich aus den Erkenntnissen neue Therapien entwickeln.

Das Problem dabei ist, dass bislang nur Tiermodelle zur Erforschung von akuten und chronischen Nierenerkrankungen existieren. Die aber spiegeln nur unzureichend wider, was tatsächlich im Menschen passiert. Die Ergebnisse sind daher kaum übertragbar.

Es geht um regenerative Therapieansätze
Ein klassischer Fall für Dr. Andreas Kurtz und sein Labor für Stammzellforschung am BIH Centrum für Regenerative Therapien (BCRT) der Charité: Der Biologe und seine beiden Mitarbeiterinnen Dr. Bella Roßbach und Dr. Krithika Hariharan entwickeln gerade mit Hilfe der Stammzelltechnologie kleine Nieren menschlichen Ursprungs, an denen Nierenerkrankungen einmal in großem Stil erforscht werden sollen.

„Wir wollen regenerative Medizinansätze entwickeln und dafür brauchen wir ein humanes Modellsystem, das die Regenerationsfähigkeit der Niere als auch die Krankheitsprozesse möglichst naturgetreu widerspiegelt“, erklärt Arbeitsgruppenleiter Andreas Kurtz das Ziel des Vorhabens. „Und ein solches dreidimensionales System bauen wir gerade auf und testen es.“

Erstaunliche Ähnlichkeit zu menschlicher Niere
Basis für das innovative Modellsystem sind sogenannte pluripotente Stammzellen. Durch Reprogrammierung im Labor können diese Stammzellen aus von Spenderinnen und Spendern entnommenen Zellen der Haut, aus Blutzellen oder Haarfollikelzellen hergestellt werden. Diese „Alleskönner“ werden im Labor anschließend zu Nierenzellen differenziert. Auf kleinen Tablets wachsen dann winzige Organoide heran. Über das Ergebnis können selbst die Wissenschaftler nur staunen. „Die Nieren aus Stammzellen sehen tatsächlich aus wie eine menschliche Niere, nur viel, viel kleiner“, betont der Stammzellforscher.

Und noch einen weiteren Unterschied gibt es im Vergleich zur Niere eines Erwachsenen: Die Organoide befinden sich einem fetalen, das heißt noch unreifem Stadium. Man müsste sie heranwachsen und groß werden lassen, doch ist das aus technischen und praktischen Gründen derzeit nicht möglich. Auch fehlt in dem System ein Blutkreislauf, der wichtig ist um das niereneigene Filtersystem auszubilden. Das Problem der fehlenden Perfusion von Organoiden hat noch kein Forscher lösen können. Weltweit arbeiten aber viele Forschergruppen daran, auch die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler vom BCRT.

Neue Technologien simulieren Nierenfunktion
In Berlin behilft man sich vorläufig mit Bioprints aus dem 3D-Drucker: Hierfür isolieren die Wissenschaftler bestimmte Zellen aus den Organoiden und drucken damit dann einzelne Komponenten der Niere aus, in diesem Fall die Filtrationseinheit. Diese Teilorganoide werden dann mit einem sogenannten HAKI-Chip kombiniert, der die Perfusion der Niere, also die Versorgung mit Blut und anderen Flüssigkeiten, simuliert. „Mit den Nierenkompartments aus dem 3D-Drucker und der Perfusionseinheit können wir die Funktion der Niere, das Blut zu filtern, schon recht gut modellieren“, sagt Andreas Kurtz.

Bis die Forschenden erste Experimente an ihren Organoiden durchführen können, sind aber noch Feinjustierungen nötig. Ungefähr noch ein Jahr wird das dauern, schätzt der Stammzellforscher. „Dann werden wir hoffentlich in der Lage sein, an unserem Modell zu lernen, wie die Regeneration der Niere passiert, welche Faktoren dabei eine Rolle spielen und wie wir die Patienten, bei denen das nicht funktioniert, unterstützen können.“

Forschung ohne einen einzigen Tierversuch
Eine solche Unterstützung könnte beispielsweise mit neuen Medikamenten erfolgen, die den Regenerationsprozess stimulieren oder mit zellbasierten Ansätzen. „Das Gute ist, dass wir an unserem humanen Modell nicht nur die Grundlagen erforschen, sondern gleich neue Therapieansätze erproben können. Und das ohne einen einzigen Tierversuch.“

(Autorin: Beatrice Hamberger)
 

Links

AG Andreas Kurtz: Regeneration by Stem Cells and International Stem Cell Registry

 

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Dr. Julia Biederlack

Stellvertretende Leitung der Geschäftsstelle, Koordination Kommunikation und ÖffentlichkeitCharitéUniversitätsmedizin Berlin

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