Ein Nebenprojekt mit Wirkung

Stefan Spirig sass am Steuer, während ein Kollege von ihm ein Gefäss mit einem seltenen und kostbaren Inhalt im Schoss hielt: mehrere Tausend Netzhaut-Organoide, die am Institut für molekulare und klinische Ophthalmologie monatelang mühsam präpariert worden waren. Spirig musste das Material vom Hauptsitz des IOB im Klybeck- zum Novartis Campus im Basler St.-Johann-Quartier überführen, um sein Projekt mit einem umfassenden Wirkstoff-Screening fortzusetzen. Er und einer seiner Kollegen mussten die kurze Fahrt mehrmals absolvieren, da es insgesamt rund 20000 Organoide zu transportieren galt. Auf dem Campus machte sich Spirig daran, die Organoide mit rund 3000 Molekülen aus der Wirkstoffbibliothek von Novartis zu testen, um herauszufinden, ob eines der therapeutischen Moleküle einen Einfluss auf degenerierte Zapfen-Fotorezeptoren hat, die oft die Ursache für schwere Erkrankungen wie Makuladegeneration oder Retinitis pigmentosa sind. Es handelte sich um eines der ersten Screenings bei Novartis mit 3D-Gewebeproben. Diese haben sich als wertvolle Alternative zu den schwer zu beschaffenden menschlichen oder tierischen Zellen erwiesen, die den Forschenden oft falsche Hinweise lieferten, wenn sie später an Humantherapien arbeiten wollten – ein Umstand, der die Ophthalmologie schon seit langer Zeit ausgebremst hatte. Das Screening war der Höhepunkt einer Entwicklung, deren Anfänge einige Jahre zurückliegen, als Spirig nach seinem Studium in Zürich ein Gentherapieprojekt für seine Promotion anstrebte. Er erhielt denn auch die Chance, am IOB zu arbeiten, wo ihm IOB-Direktor Botond Roska zwei Projekte zuwies. «Ich konnte einerseits sofort an einem Gentherapieprojekt mitarbeiten. Botond beauftragte mich jedoch auch mit einem Wirkstoff-Screening», erzählt Spirig und fügt hinzu, das Screening-Projekt sei für ihn weniger interessant gewesen, da es zunächst nicht auf Gentechnologie ausgerichtet war. «Beide Projekte waren riskant, und einige Monate später geriet das Gentechnologieprojekt tatsächlich in eine Sackgasse», so Spirig. «Aber wie so oft in der Wissenschaft entfaltete das Nebenprojekt ganz unerwartet ein enormes Potenzial, ich begann, mich sehr für die Arbeit mit Organoiden zu interessieren, und schliesslich gipfelte es in einem Gentherapieprojekt.» Vorbereitung des Screenings Obwohl Spirig vor seinem Eintritt in das IOB nur wenig mit Organoiden vertraut war, arbeitete er sich schnell ein, nachdem er mit dem Labor von Magdalena Renner zusammengearbeitet hatte, einer Expertin auf diesem Gebiet. Sie war zudem die erste Wissenschaftlerin, die Netzhaut-Organoide in grosser Zahl züchten konnte und deren Methode entscheidend war, um die 20000 für das Screening benötigten Organoide herzustellen.

Zwar ist die Entwicklung von Netzhaut-Organoiden langwierig und komplex, aber das Labor von Magdalena Renner ist heute in der Lage, Tausende davon herzustellen. Noch vor ein paar Jahren konnten sie und ihr Team meist nur einige Dutzend Organoide von hoher Qualität erzeugen. Auf die Frage von Botond Roska, wie viele sie für ein Wirkstoff-Screening kultivieren könnten, berechneten Renner und Spirig, dass 10000 funktionieren sollten. Botond schlug vor, die Zahl zu verdoppeln. «Das ist sein typischer Ehrgeiz, mit dem er die Dinge voranbringen will», sagen Spirig und Renner lachend. Nach einem Brainstorming mit Roska, erinnert sich Spirig, hätten sie sich für ein Wirkstoff-Screening entschieden, um potenzielle Therapien für Erkrankungen zu testen, die aufgrund einer Degeneration der Zapfen-Fotorezeptoren Erblindung hervorrufen und für die es noch keine Therapie gibt. «Unser Ziel war die Entwicklung einer therapeutischen Intervention, um diese Art der Degeneration zu verlangsamen oder zu stoppen», fügt Spirig hinzu. «Wir stellten uns ein gross angelegtes Experiment vor, in dem die Degeneration der Zapfen-Fotorezeptoren mit Organoiden simuliert werden sollte, um den Zustand von altersabhängiger Makuladegeneration und Retinitis pigmentosa nachzubilden, was häufige Gründe für Erblindung sind.» Durch den Entzug von Glukose, der primären Energiequelle für diese Organoide, konnte Spirig einen Hungerzustand auslösen und beobachtete einen raschen Zelltod, insbesondere in den Zapfen-Fotorezeptoren. «Dieses Modell ermöglichte es uns, Medikamente zu testen, die das Überleben dieser wichtigen Zellen potenziell verlängern», erklärt er. In diesem Experiment liessen sie alle Zapfen-Fotorezeptoren in den Organoiden verhungern und fügten später die Wirkstoffe hinzu, um herauszufinden, ob einige der therapeutischen Moleküle das Absterben dieser Zellen zu verhindern oder so weit wie möglich hinauszuzögern vermochten. Zusammenarbeit mit Novartis Im Laborgebäude Virchow 16, wo Novartis ihre gewaltige Wirkstoffbibliothek mit über einer Million potenziellen therapeutischen Molekülen lagert und eine automatisierte Hochdurchsatz-Screening-Technologie installiert hat, begann das Team von Spirig mit der Vorbereitung des Tests und arbeitete dafür mit Kolleginnen und Kollegen von Novartis zusammen.

Der Einsatz der Geräte und der Molekülbibliothek in Virchow 16 gab den Ausschlag. Spirig konnte den Versuchsaufbau am IOB zwar vorbereiten, benötigte jedoch den technologischen Rahmen bei Novartis, um mit dem Screening fortzufahren und die Wirkstoffe einzusetzen. Daniel Baeschlin, Forscher bei Novartis und zuständig für die Wirkstoffbibliothek und das automatisierte Hochdurchsatz-Screening des Unternehmens, sagt, nicht nur die Zusammenarbeit habe gut funktioniert, sondern er und sein Team seien auch vom Aufbau des Screenings und der Energie von Spirig und seinen Leuten beeindruckt gewesen. «Man spürte, wie hochmotiviert sie waren», fügt Baeschlin hinzu. «Aus unserer Sicht war es ein sehr ambitioniertes Programm und mit Abstand eines der komplexesten Organoid-Screenings, das wir hier durchführen mussten, da es eine so grosse Anzahl künstlicher Netzhäute umfasste.» Anders als bei automatisierten Hochdurchsatz-Screenings, bei denen Wirkstoffe gegen 2D-Zellen getestet werden, musste das Team mit seinen 3D-Organoiden, für die es noch kein vollautomatisiertes System gab, viel Handarbeit leisten. «Wir begannen bei null, indem wir einen Screening-Aufbau mit Mikrotiterplatten erstellten, die jeweils ein einziges Organoid enthielten, das verschiedenen Medikamenten ausgesetzt war. 20000 Organoide mussten also einzeln in diese Platten gegeben werden», gibt Spirig zu bedenken. Nach der Vorbereitung der Organoide in den Mikrotiterplatten fügte das Team jeweils eine der 3000 Verbindungen hinzu. «Bei Novartis werden manchmal eine Million Wirkstoffe auf einmal gescreent», so Spirig. «Aber für uns war das unmöglich.» Zum einen hatte das Team nicht so viele Proben. Zum anderen war derselbe Wirkstoff mehrfach an mehreren Organoiden zu testen, da Organoide so variabel sind. Das Hinzufügen der Wirkstoffe erfolgte ebenfalls in teilweise automatisierten Schritten. «In der Regel musste ich einige Knöpfe drücken», sagte Spirig. Mehrere Treffer Nachdem das Team die Zapfen-Fotorezeptor-Organoide verhungern liess und mit einem grün fluoreszierenden Protein gefärbt hatte, nahm es hochauflösende Bilder der Organoide mithilfe eines Spinning-Disk-Konfokalmikroskops auf, das schnelle Aufnahmen ermöglicht. Eine Woche später fügten sie den Wirkstoff hinzu und nahmen anschliessend ein weiteres hoch­auflösendes Bild auf, um zu sehen, ob die Zapfen-Fotorezeptoren degeneriert oder noch intakt waren. Der gesamte Prozess, der etwa zwei Jahre in Anspruch nahm, um alle 20000 Organoide zu entwickeln, zu screenen und zu bewerten, führte zu mehreren Treffern. «Ich bin sehr zufrieden, dass wir mehrere Wirkstoffe identifizieren konnten», so Spirig. Zwei der Moleküle sind Kinase-Inhibitoren, welche die Zapfen sowohl kurz- als auch langfristig vor Degeneration schützten. Eine andere Gruppe von Molekülen schützte die Zellen zunächst, schädigte sie aber später. Auch andere Inhibitoren zeigten interessante Aktivitäten.

Echte Meilensteine können nur gemeinsam erreicht werden.

Dank diesem Projekt konnte Spirig mit seiner Forschung zur Erstellung einer umfangreichen Datenbank beitragen, die das IOB über die Website https://conetargetedcompoundscreen.iob.ch/ Forschern weltweit zugänglich machen wird. Sie könnte eines Tages die Grundlage für die Entwicklung neuer Therapien bilden, die das Fortschreiten von Erkrankungen wie der Makuladegeneration verlangsamen oder sogar verhindern können. Gentherapieprojekt Für Spirig geht die Reise indes weiter. Der Kreis schliesst sich insofern, als sich das Projekt inzwischen zu einem Gentherapieprojekt entwickelt hat, etwas, das er seit seinem Eintritt in das IOB vor mehr als fünf Jahren angestrebt hatte. Während Spirig daran arbeitete, die genauen Targets der Proteine zu identifizieren, nahm er auch die Gene unter die Lupe, die an der Entstehung dieser Proteine beteiligt sind. Dies ermöglichte ihm ein besseres Verständnis des genetischen Prozesses, der eine Degeneration der Zapfen-Fotorezeptoren verursachen kann. «Jetzt, da wir die genetischen Targets kennen, können wir Gentherapien untersuchen, die diese Gene herunterregulieren», führt Spirig aus. «Damit können wir tatsächlich an einer potenziellen Gentherapie arbeiten, die der Degeneration dieser Zellen vorbeugt.» Auch wenn diese Etappe der Forschungsreise wieder einige Jahre in Anspruch nehmen dürfte – das IOB hat das Potenzial, diesen Weg zu gehen. Weniger als ein Jahrzehnt nach der Gründung des Instituts haben die Forschenden hier bereits neue und grundlegende Erkenntnisse gewonnen, den Weg für eine optogenetische Gentherapie zur Behandlung einer erblichen Form von Blindheit geebnet, und sie arbeiten an einem ähnlichen Projekt zur Behandlung von Morbus Stargardt, einer Erkrankung der Makula. «Es ist wirklich spannend, und obwohl ich mich anfangs weniger für Organoide interessierte, muss ich zugeben, dass ich sie inzwischen richtig liebgewonnen habe, ähnlich wie damals, als ich nach einem Gentherapieprojekt suchte», erklärt Spirig.

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Wissenschaft Zusammenarbeit wird grossgeschrieben. Ein Nebenprojekt mit Wirkung Text Goran Mijuk. Fotos Adriano A. Biondo. Nur wenige Jahre nach seiner Gründung gelang es dem Institut für molekulare und klinische Ophthalmologie Basel (IOB), sein erstes grosses Wirkstoff-Screening mit selbst entwickelten Netzhaut-Organoiden durchzuführen. Dies lieferte neue Erkenntnisse für die Bekämpfung degenerativer Augenerkrankungen und ebnete den Weg für mögliche Therapien mit niedermolekularen Wirkstoffen oder Gentherapien.

Die Zusammenarbeit zwischen dem IOB und Novartis Biomedical Research war für dieses Projekt von entscheidender Bedeutung.