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Die Medizinrevolution vor einem Quantensprung

Die Medizin steht vor einem Quantensprung, der unser Leben grundlegend verändern wird. Rund um den Erdball forschen Wissenschaftler an der digitalen Diagnose, der Verbindung zwischen Gehirn und Computer, dem Eingriff in unsere Gene, um sie ein- und auszuschalten und so Krankheiten zu verhindern, dem Bau von Organen aus Stammzellen im Labor und der Pille gegen das Altern, die Prof. Nir Barzilai (Bild) am Albert Einstein College of Medicine in New York entwickelt. OOOM blickt in die Zukunft der Medizin und stellt die Pioniere, Visionäre und Game Changer vor.

Georg Kindel29. März 2018 No Comments

GAME CHANGER NUMMER 2.
HANS CLEVERS UND WIE ORGANOIDE AUS DEM LABOR KRANKE ORGANE ERSETZEN KÖNNEN.

Prof. Hans Clevers am Hubrecht Institute, Utrecht, erzeugt Organoide im Labor, was Transplantationen künftig überflüssig macht.

Wenn ein Organ unseres Körpers seine Funktionalität verliert, bedeutet das eine ernsthafte Gefahr für unser Leben. Fallen Herz, Leber oder die Lunge plötzlich aus, ist dies fatal. Kündigen sie dies vorher an und nimmt ihre Leistung kontinuierlich ab, so gibt es Möglichkeiten, diesen Ausfall zumindest kurzfristig zu überbrücken. In fast allen Fällen ist der Patient à la longue von einer Organtransplantation abhängig, was letztendlich bedeutet: vom Tod eines anderen Menschen.

Organoide. Durch die bahnbrechende Forschung am Hubrecht Institute im niederländischen Utrecht sollen Organtransplantationen in zehn Jahren überflüssig und Geschichte sein. Prof. Hans Clevers, Molekulargenetiker, Immunologe und Stammzellenforscher, ist jener Pionier, der menschliche Organe bereits heute im Labor baut. Neben dem deutschen Molekularbiologen Jürgen Knoblich vom Institut für Molekulare Biotechnologie (IMBA) in Wien, der mit seinem Team in Organkulturen die frühen Stadien der menschlichen Gehirnentwicklung nachgebildet hat, ist Clevers einer der Game Changer der Medizinwelt.

Mit seinen wachen Augen sieht der Anfang 60-jährige Clevers, ehemals Präsident der Königlich Niederländischen Akademie der Wissenschaften, gute zehn Jahre jünger aus. Er baut Organoide, das sind Organe wie ein Darm, im Labor – also außerhalb des menschlichen Körpers. Seit 20 Jahren beschäftigt sich sein Labor mit diesem komplexen Feld der Medizin: den Ein-Aus-Schaltern für das Immunsystem, dem Darm, der Darmschleimhaut und der Frage, wie Darmkrebs entsteht. Bereits 1996 fand Clevers eine Antwort darauf, was konkret bei einer Darmkrebszelle schiefläuft und warum eine normale Stammzelle im Darm nach denselben Prinzipien funktioniert wie die Krebszelle. Das heißt: Clevers entdeckte, dass sich Stammzellen und Krebszellen gleicher Mechanismen bedienen.

„Stammzellen dosieren es nur viel besser“, erklärt der Niederländer. „Wenn du also dieses Prinzip nicht richtig dosierst, entsteht eine Krebszelle. Wenn schon, bist du eine normale Stammzelle. Der Mensch hat enorm viele Stammzellen, die meisten müssen noch entdeckt werden. Sie sitzen in unseren Organen und ersetzen Zellen, die verloren gehen.“

Zellen leben verschieden lang. Was viele nicht wissen: Unser Körper lebt im Idealfall 80 bis 90 Jahre, aber individuelle Zellen haben eine viel kürzere Lebensdauer. Gehirnzellen beispielsweise leben so lange wie auch unser menschliches Leben dauert, aber Leberzellen nur zwei bis drei Jahre, Hautzellen überhaupt nur drei Monate.

„Wir fanden erstmals heraus“, so der Niederländer, „dass Darmzellen nur vier Tage leben. Alle vier Tage wird die Darmschleimhaut ersetzt. Und dies erfolgt durch Stammzellen. Wir haben uns also überlegt: Wie können wir diese Stammzellen finden? Wir fanden einen molekularen Marker namens LGR5 (Anm.: ein Protein, das vom gleichnamigen Gen verschlüsselt wird) und begannen Versuche mit Mäusen.“ Der Ansatz war bahnbrechend. Denn Clevers’ Team fand Zellen, von denen sie annahmen, dass sie Stammzellen sind. Und sie entwickelten einen Weg, wie diese sichtbar gemacht werden können: „Die Zellen emittierten Licht, zunächst grünes Licht, dann jede beliebige Art von Licht, wodurch wir mit bildgebenden Verfahren Filme machen und nachverfolgen konnten, wie sich diese Stammzellen im Körper verhalten.“

Stammzellen aus dem Labor. Und auch ein weiterer wesentlicher Ansatz wurde, obwohl eigentlich naheliegend, einfach nicht verfolgt: Stammzellen im Labor zu züchten. „Damals wurde angenommen, dass es unmöglich sei, eine gesunde Zelle aus dem menschlichen Körper zu nehmen, sie in eine Petrischale zu geben und sie außerhalb des Körpers für mehr als nur wenige Tage am Leben zu erhalten. Die Forscher dachten damals, sie würde unweigerlich nach einigen Tagen absterben“, so Clevers. Doch Clevers dachte anders als viele Wissenschaftler zuvor. Und machte eine wesentliche Entdeckung: „Wir fanden erstmals heraus, dass die Stammzellen im Darm von Mäusen, aber ebenso im Darm des Menschen, sich permanent teilen, jeden Tag. Sie gehen durch Tausende von Zellteilungen. Die Annahme von nur einer Handvoll Zellteilungen war also falsch, es können 20.000 sein.“

Der Durchbruch. Und durch diese Erkenntnis gelang Clevers und seinem Team ein phänomenaler Durchbruch: „Weil wir sahen, wie oft sie sich teilen, nahmen wir an, dass es möglich sein muss, diese Stammzelle aus dem Darm der Maus und des Menschen zu nehmen, in eine Petrischale zu geben und sie dazu zu bringen, sich so zu verhalten, wie sie das immer tut: sich zu teilen und Tochterzellen zu entwickeln. Und die Tochterzellen waren dann jene, die die Darmschleimhaut ersetzen. So kamen wir überhaupt auf die Idee, Stammzellen zu züchten, die dann Grundlage für Organoide wurden.“

Statt einer Stammzelle entstand ein Mini-Darm. Zur Überraschung aller entpuppte sich die Methode als tatsächlich möglich. Mehr noch: Sie war sehr einfach umzusetzen. Sollte es klappen, müssten aus dieser einen Stammzelle nun zahlreiche Stammzellen entstehen. Doch der Blick unter das Elektronenmikroskop verblüffte den smarten Forscher völlig: Seine Annahme war grundlegend falsch. „Zu unserer Überraschung entwickelte diese eine einzelne Stammzelle einen ganzen Mini-Darm! Anstatt nur einfach mehr Stammzellen ihrer Art zu produzieren, stellte sie sämtliche anderen Zellen des Darms her, alle verschiedenen Arten, die man benötigt, um Nahrung zu verdauen und sämtliche Funktionen des Darms zu übernehmen, sie an die richtige Stelle zu bringen und alle vier Tage zu ersetzen. Es war unglaublich: Alles, was man im Darm einer Maus oder eines Menschen sehen kann, wurde in der Petrischale kopiert. Wir nennen dies eine Phänokopie, es entstand ein Mini-Darm.“

Mini-Lungen, Leber, Mägen und Därme im Labor. Damit begann eine faszinierende Entdeckungsreise: „Als wir sahen, wie einfach es ist, Stammzellen des Darms zu züchten, gelang es uns mit den Tricks, die wir entwickelt haben, zahlreiche weitere neue Stammzellen in anderen Organen zu finden: in der Leber, in der Bauchspeicheldrüse, dem Magen. Wir entdeckten, dass es auch bei ihnen nicht schwierig war, sie im Labor zu kultivieren“, berichtet Clevers.

Organoide verändern die Welt. Die Medizinwelt stand Kopf. Denn die Folgen waren ohne Zweifel bahnbrechend: „Wir nannten die Mini-Organe aus dem Labor Organoide.“ Das Prinzip klingt in der Tat extrem einfach und ist in allen Fällen gleich: „Wir entnehmen bei einer Biopsie ein kleines Stück Gewebe und es beginnt durch die richtige Stimulation von einer einzelnen Zelle aus eine kleine Version des echten Organs im Labor zu bilden.“

Benötigt heute ein kranker Patient ein lebenswichtiges Organ, so hängt sein eigenes Leben in der Regel vom Tod eines Anderen ab. Doch meist sind auch solche Transplantationen mit Gefahren verbunden, beim Eingriff selbst oder durch die folgende Abstoßungsreaktion des Körpers. Durch die Forschung von Hans Clevers und anderer Pioniere wird dies in zehn bis 20 Jahren der Vergangenheit angehören. Wie können Organoide Leben retten und verlängern? „Es gibt verschiedenste Anwendungen“, erklärt Prof. Clevers. „Einige davon sind bereits jetzt möglich, andere werden noch Jahre benötigen, um in die praktische Medizin Eingang zu finden. Wir haben eindeutig bewiesen, dass es funktioniert, indem wir menschliche Organoide in Mäuse transplantiert haben. Da Mäuse kein Immunsystem haben, gibt es auch keine Abstoßungsreaktion.“

Organe durch simple Blutspende. Prof. Clevers: „Beim Darm haben wir mit unseren japanischen Partnern mit den Nachkommen einer einzelnen Stammzelle Organoide bei 40 bis 50 Mäusen transplantiert. Mit der Leber haben wir dasselbe gemacht, jedoch mit einer etwas kleineren Zahl an Mäusen. Es war der Proof of Concept, dass es möglich ist. Der Spender geht einfach heim, ist gesund und glücklich – und muss nicht auf einen Verkehrsunfall oder ähnliche Dramen warten, damit er eine Organspende bekommt. Das einzige, was er benötigt, ist eine simple Blutspende.“

Biobanken für Organoide. In Zukunft wird ein Patient in die Klinik kommen, man entnimmt ihm ambulant ein kleines Stück Gewebe und schickt ihn nach Hause. Das Gewebe wird im Labor kultiviert, daraus entstehen Millionen neuer Zellen. Man kann sie problemlos einfrieren und lagern. Das langfristige Ziel ist, große Biobanken aufzubauen nach demselben Prinzip, wie wir heute Blutbanken auf der ganzen Welt haben. Hans Clevers: „Wenn Sie heute eine spezielle Art von Blut benötigen, so suchen Sie in den Blutbanken jenes, das perfekt passt.“ Dieses Prinzip soll auch bei Organen entstehen: „Wir richten Biobanken mit gefrorenen Mini-Lebern, Mini-Lungen und anderen Organen ein. Und wann immer ein Patient eine Transplantation benötigt, sieht man im Computer nach, welches Organ am besten passt, dann bestimmt man einen Tag für den Eingriff und setzt dem Patienten das Gewebe ein. Das ist die Zukunftsvision. Sie wird kommen – davon bin ich überzeugt.“

29. März 2018