Ein wissenschaftlicher Verdacht und eine glückliche Fügung

Magdalena Renner war skeptisch und frustriert. Monatelang hatte sie versucht, Netzhaut-Organoide in ausreichender Menge zu züchten, um die Grundlagenforschung am Institut für molekulare und klinische Ophthalmologie Basel (IOB) voranzutreiben. Aber die Dinge entwickelten sich nicht so, wie sie sich das gewünscht hatte. Sie und ihr Team waren zwar in der Lage, hochwertige Organoide herzustellen, die es den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern erlaubten, mithilfe dieser künstlichen Fotorezeptorgewebe die Funktion und Krankheitsgenese zu untersuchen, doch bewegte sich die Zahl der Organoide, die ihr Labor herzustellen vermochte, maximal bei mehreren Dutzend. Sie wusste, dass dies zu wenig war, um etwas zu bewirken und die Wissenschaftler weniger abhängig von den schwer zu beschaffenden menschlichen Netzhäuten zu machen – oder von Netzhäuten von Mäusen, die keine perfekten Forschungsorganismen in der Ophthalmologie sind, da sie sich in wichtigen physiologischen Merkmalen von den menschlichen unterscheiden. Im Gegensatz zum menschlichen Auge haben Mäuse beispielsweise keine Fovea, die für das scharfe Sehen verantwortlich ist. Sie musste etwas ändern, wusste zwar noch nicht, was, hatte aber eine Intuition, die nicht nur dazu beitragen würde, die Produktion dieser wichtigen Forschungsproben zu steigern, sondern auch die Fähigkeit des IOB zu beflügeln, Grundlagenforschung in grossem Massstab zu betreiben. Gemeinsam mit ihren Kolleginnen und Kollegen konnte sie zudem den Weg für das erste grosse Wirkstoff-Screening mit Netzhaut-Organoiden ebnen.

Magdalena Renner.

Organoid-Pionierin Renner war mit der Organoid-Forschung bestens vertraut. Schon früh in ihrer Karriere hatte sie sich mit diesem aufstrebenden Forschungsfeld beschäftigt, als sie in das Labor von Jürgen Knoblich am Institut für Molekulare Biotechnologie in Wien eintrat, das vor mehr als einem Jahrzehnt mit induzierter pluripotenter Stammzelltechnologie in der Neurologie den Grundstein in diesem Bereich legte. Sie war u. a. Mitautorin einer wegweisenden Publikation, die 2013 den Entwicklungsprozess von Minigehirnen detailliert beschrieb. Parallel dazu befasste sie sich während ihrer Promotion in Wien als eine der ersten Wissenschaftlerinnen mit der Frage, wie sich Minigehirne als Krankheitsmodelle nutzen lassen. Nach ihrer Tätigkeit in der österreichischen Hauptstadt, wo sie auch mit neuen Gentechnologien wie CRISPR/Cas9 arbeitete, die eine präzise Genmanipulation ermöglichen, wechselte Renner zu Novartis und zum Friedrich-Miescher-Institut. Dort wurde sie im Jahr 2017 vom IOB-Mitgründer und heutigen IOB-Direktor Botond Roska zur Mitarbeit am frisch gegründeten IOB eingeladen, um an Netzhaut-Organoiden zu arbeiten – einem damals noch wenig erforschten Feld, das von Grund auf neu aufzubauen war. «Die Netzhaut ist ein Teil des Gehirns», erklärt Renner. «Für mich war die Umstellung von Gehirn- zu Netzhaut-Organoiden also nicht schwierig. Die Protokolle weisen viele Parallelen auf, und die Herausforderungen sind ähnlich.»

Schritt für Schritt Im Rahmen des Produktionsprozesses mit induzierten pluripotenten Stammzellen nahm Renner menschliche Zellen und verwandelte sie in Stammzellen zurück – eine Zellart, die sich zu jedem anderen Zelltyp des Körpers entwickeln kann. Anschliessend versuchte sie, diese zu Netzhaut-Organoiden zu entwickeln. Bei dieser Technologie werden Haut- oder Blutzellen in einen embryonalen Zustand umprogrammiert. Durch den Umkehrprozess erhalten die Zellen das Spendergenom. Auf diese Weise können die Forschenden später entweder gesunde oder erkrankte Organoide untersuchen. Sie können auch Organoide mit spezifischen Mutationen genetisch entwerfen, um einen biologischen Vorgang oder einen Aspekt einer Krankheit besser zu verstehen. Nach der Umwandlung in Stammzellen setzte Renner den Wachstumsprozess in Gang, indem sie die Zellen auf kleine Platten legte, ein Zellkulturmedium hinzufügte und abwartete, bis die Netzhäute unter dem Mikroskop sichtbar wurden und eine hufeisenförmige Struktur aufwiesen. Renner löste sie dann mit einer Nadel aus der Platte und übertrug sie in ein anderes Nährgefäss, wo sie sich zu vollständigen Organoiden entwickelten. Dem damaligen Industriestandard folgend, nahm Renner nur jene Organoide aus der Platte, die eine Hufeisenform aufwiesen, und verwarf die anderen. Das Ergebnis nach einem halben Jahr war jedoch, dass sie und ihr Team nur wenige Netzhäute im Kultivierungsgefäss vorfanden, zu wenig, um grosse Wellen zu schlagen oder gar ein Wirkstoff-Screening in Betracht zu ziehen, mit dem Ziel, eine Therapie zu testen oder die genetische Zusammensetzung eines Organoids oder Zelltyps zu verstehen.

Der Intuition folgen «Der Prozess dauert sehr lange, und das ist frustrierend», erklärt Renner. Als sie sich bemühte, den Prozess zu beschleunigen, stellte sie auch das etablierte Entwicklungsprotokoll infrage: «Mich machte stutzig, dass zum Feststellen, welche Organoide sich für die Weiterverarbeitung eignen, belastbare Kriterien fehlten», führt sie weiter aus. Eines Tages beschloss sie, statt mühsam die hufeisenförmigen Organoide herauszufischen, alle Organoide auf der Platte zu sezieren und sie in das Nährgefäss zu transferieren. «Statt diese Strukturen einzeln von der Zellkulturschale abzuschneiden, nahm ich eine Pipette, zeichnete damit ein Gitter und schabte alle Zellen auf meiner Schale ab, ohne mir Gedanken darüber zu machen, wie sie aussahen», sagt Renner. Die Intuition, diesen Weg einzuschlagen, rührte nicht nur daher, dass sie von der etablierten Methode mit ihren mangelnden Vorgaben zur Form der Organoide nicht völlig überzeugt war, sondern auch von ihrer Beobachtung, dass sich bei der Entnahme der Hufeisen-Organoide – ein Vorgang, der oft Tage dauerte – Organoide auf der Platte bildeten, wo sie es nicht erwartet hatte. Sie wagte den Sprung ins kalte Wasser und beschloss, ein neues Verfahren auszuprobieren. «Ich wollte die Platte ohnehin wegwerfen. Es hat mich also nichts gekostet, einfach alles wegzukratzen und zu sehen, was da war. Zu meinem grossen Erstaunen ist die Zahl der Organoide in kürzester Zeit von zwanzig auf mehrere hundert angestiegen.» Diese glückliche Fügung kam überraschend für sie. Sie räumt zwar ein, ein Grossteil des Entwicklungsprozesses von Organoiden bleibe im Dunkeln. Selbst Wissenschaftler staunten darüber, dass sich induzierte pluripotente Stammzellen zu Miniaturorganen entwickeln können, aber ihr Glück beruhte auf der wissenschaftlich fundierten Entscheidung, einen anderen als den etablierten, ineffizient scheinenden Weg zu gehen. Dieser Schritt zahlte sich nicht nur mit Blick auf das Projekt aus, sondern zeigt auch, dass das IOB kurz nach der Gründung seinem Anspruch gerecht wurde, führende Talente anzuziehen, die bereit waren, die Ophthalmologie zu transformieren und den Status quo zu verändern.

Hohe Qualität Renners Team produzierte Organoide von hoher Qualität. «Wir haben sie mit den Netzhäuten von Erwachsenen verglichen. Und die Zellen, insbesondere die Zapfen-Fotorezeptoren, waren verblüffend ähnlich», so Renner. Auch wenn Organoide im Vergleich zu echten Organen winzig sind, so müssen sie doch die lebenswichtigen Bestandteile enthalten, die für die Studien wichtig sind. Dies hilft den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern, ihr Verständnis der zugrunde liegenden Biologie zu vertiefen. Darüber hinaus können sie die Organoide auch für Gentests einsetzen, die sich mit dem Aufkommen der Präzisions-Gentechnologie rapide verbessert haben. Die Technologie der induzierten pluripotenten Stammzellen und die CRISPR/Cas9-Gentechnologie sind ein Segen für die Wissenschaft. Sie helfen Forschenden, Tierversuche zu minimieren und sich von der kontroversen Stammzellforschung fernzuhalten. Neben Mini-Gehirnen und Mini-Nieren arbeiten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler weltweit an einer Reihe neuartiger Organoide. Für Renner haben Organoide ein enormes Potenzial, die wissenschaftliche Forschung voranzutreiben, wenn die Qualität der Organoide die notwendigen Kriterien erfüllt. «Unsere Organoide bestehen aus fünf Schichten, die denen der menschlichen Netzhaut von Erwachsenen ähneln, darunter drei Kernschichten, in denen sich die retinalen Zellkörper befinden, und zwei synaptische Schichten, welche die Zellkommunikation erleichtern», erklärt Renner. Dank der hohen Qualität und funktionellen Ähnlichkeit mit der menschlichen Netzhaut gehen die Forschenden heute bereitwillig zu Organoiden über und haben sogar mit umfassenden Wirkstoff-Screenings begonnen. Einer der ersten Vorstösse in diese Richtung war ein Projekt unter der Leitung von Stefan Spirig vom IOB, der gegen 3000 Wirkstoffe mit rund 20000 Organoiden aus dem Labor von Renner testete. Weitere IOB-Wissenschaftlerinnen und -Wissenschaftler zogen nach.

Neue Horizonte Für Renner und ihre Mitarbeitenden geht die Arbeit weiter, denn sie wenden sich nun neuen Modellorganismen zu, etwa dem retinalen Pigmentepithel, einem wichtigen Zelltyp, den das Team in einer sehr reinen Form zu züchten versucht. «Diese Zelltypen sind für die Interaktion ausschlaggebend und spielen eine wichtige Rolle bei Erkrankungen. Sie als Organoide zu haben, ist wichtig.» Das Team hat erfolgreich ein neues Protokoll entwickelt, das die Erzeugung solcher Zellen in Hochdurchsatz-Screenings ermöglicht, ähnlich wie bei den von Spirig verwendeten Netzhaut-Organoiden. Zudem hat das Team eine Methode erarbeitet, mit der sich feststellen lässt, ob diese Zellen als Gentherapie-Vorscreening-Tool eingesetzt werden können, um die besten Kandidaten für die Validierung in den schwer zu kultivierenden humanen Explantatkulturen auszuwählen. «Wir versuchen viele Dinge parallel», erläutert Renner, «um Modellorganismen zu entwickeln, welche die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus der Abhängigkeit von der Netzhaut von Menschen oder Mäusen lösen. Das übergeordnete Ziel ist, ein besseres Modell des Auges zu bauen und damit den Forschenden zu helfen, unser Verständnis der Ophthalmologie weiter zu vertiefen.»

Wissenschaft Den Dingen auf den Grund gehen.

Ein wissenschaftlicher Verdacht und eine glückliche Fügung Magdalena Renner vom Institut für molekulare und klinische Ophthalmologie Basel (IOB) war mit der Aufgabe betraut, Netzhaut-Organoide in ausreichender Menge zu produzieren, um den Forschenden am IOB qualitativ hochwertige Studienproben zur Verfügung zu stellen. Dabei geriet sie jedoch schon früh an eine Hürde. Erst nachdem sie das vorherrschende Produktionsprotokoll infrage gestellt hatte, verhalf sie dem Institut zu einer Führungsposition in der Organoid-Forschung und -Produktion. Text von Goran Mijuk, Fotos von Laurids Jensen.

Bevor Magdalena Renner begann, künstliche Netzhäute abzukratzen, konnten sie und ihr Team nur ein Dutzend Netzhäute pro Versuch herstellen.

Heute produziert ihr Team Tausende und trägt so zur Förderung der Forschung bei.

Eine Forscherin analysiert virtuelle Netzhäute. Die schiere Anzahl galt noch vor wenigen Jahren als unerreichbar.