Pancreas organoid development, behaviour and structural maintenance: a multiscale analysis

Stammzellen stellen den Grundbaustein des menschlichen Organismus dar. Die Langzeitkultivierung unter Laborbedingungen war bislang jedoch auf embryonalen, welche aus der Blastozyste gewonnen wurden, und induzierte pluripotente Stammzellen beschränkt. Seit kurzem rücken vielversprechende Forschungsansätze mehr und mehr in den Focus der Wissenschaft, in denen neben der embryonalen Stammzellkultur induzierte und gewebsspezifische adulte Stammzellen in sogenannten Organoiden über mehrere Monate genetisch stabil kultiviert werden können. Diese adulten Stammzellen liegen natürlicherweise im Gewebe und in den Organen vor und werden bei Wundheilung oder regenerativen Prozessen aktiviert. Durch den Einsatz von speziellen Wachstumsbedingungen ist es seit kurzem möglich, die in vivo Bedingungen auch im Labor zu simulieren und damit dreidimensionale Organoide zu züchten. Neben definierten Nährmedien kommen speziell abgestimmte Wachstumsfaktoren und eine extrazelluläre Matrix (EZM) zum Einsatz. Die EZM ermöglicht den Zellen nicht nur miteinander zu interagieren und zu kommunizieren, sondern schafft auch den strukturellen Rahmen, die der Gewebeintegrität des ursprünglichen Organs entspricht. Dadurch proliferieren diese Zellen auch im Labor, behalten ihren Stammzellcharakter und bilden Organoide. In den vergangenen Jahren hat sich herausdefiniert, dass Organoide dreidimensionale Zellzusammenschlüsse darstellen, welche in der Lage sind, organspezifische Zelltypen auszubilden und sich in gleicher Weise zu organisieren, wie sie in dem Ursprungs-Organ vorliegen. Der Einsatz von Organoiden in der Grundlagenforschung verspricht weitreichende Erkenntnisse über das zelluläre Verhalten während der Organogenese, in Wundheilungsprozessen sowie in Medikamentenstudien. Daneben zeigen Organoide im Besonderen in der personalisierten Zelltherapie enormes Potential. Bei dieser Behandlung werden dem Patienten oder Spender adulte Stammzellen aus dem entsprechenden Organ entnommen, im Labor kultiviert und ggf. gentechnisch korrigiert, differenziert und anschließend reimplantiert. Dort ersetzten oder ergänzen diese die vorhandenen Zellen in ihrer Aufgabe und tragen so zur Heilung des Patienten bei. Personalisierte Zelltherapie birgt unter anderem bei Autoimmunerkrankungen großes Potential. Eine dieser Erkrankungen ist Diabetes Typ 1 (T1D). Hierbei zerstört das körpereigene Immunsystem die ß-Zellen der Bauchspeicheldrüse (Pankreas), welche das Hormon Insulin produzieren. Als Folge kommt es zur Deregulierung des Blutzuckerspiegels, was zu stark Schwankenden und stark erhöhten Glukose-Konzentrationen im Blut führen kann (Hyperglykämie). Heutige Behandlungsmethoden basieren in erster Linie auf der Insulinersatztherapie. Durch die Transplantation der Bauchspeicheldrüse existiert zwar eine dauerhafte Heilungsmethode, diese ist aber auf Grund der geringen Verfügbarkeit von Spenderorganen nicht massentauglich. Der Einsatz von Organoiden zur personalisierten Zelltherapie von Diabetes Typ 1 verspricht daher großes Potential als eine zukünftige weitere Therapiemöglichkeit. Hierfür sind jedoch im Rahmen der präklinischen Forschung zunächst fundamentale Kenntnisse über die Organoide zu erlangen. 2013 gelange es erstmalig Matrixell Huch Organoide aus Pankreas Zellen zu gewinnen. Dazu isolierte Sie diese Zellen aus dem exokrinen, duktalen Bereich und etablierte sie als Organoide im Labor. Das Erscheinungsbild der Pankreas Organoide zeigte sich dabei als ballonartige Struktur, die von einer einzelnen Zellschicht gebildet wird und mit Flüssigkeit gefüllt ist. Weiterreichende Untersuchen konnten zeigen, dass nach der Transplantation dieser Organiode in immunsupprimierte, an T1D leidende Mäuse, sich diese von ihrer Erkrankung erholten konnten. Dies war möglich, da die Zellen der Organoide sich zu ß-Zellen differenzierten, Insulin produzierten und damit die Glukosekonzentration im Blut der Mäuse regulierten. Diese Untersuchungen zeigen das hohe therapeutische Potential der Pankreas Organoide. Aufgrund der Neuartigkeit dieser Kultivierungsmethode fehlt es jedoch an fundamentalen Grundkenntnissen und ausreichend robusten Daten, um diese bereits heute klinisch einzusetzen. Informationen über deren Erscheinungsform, Verhalten und Wachstumseigenschaften sind weitestgehend unbekannt. Verlässliche Methoden zur Beobachtung und Analyse des Wachstumsverhaltens sowie weitreichendes Wissen über die biophysikalischen und biochemischen Prozesse, die zur Ausprägung und Erhalt der Erscheinungsform führen, sind nicht vorhanden. Für klinische Anwendungen sind diese Informationen jedoch unumgänglich und bilden daher derzeit einen bedeutsamen Bereich in der präklinischen Forschung. Aus diesem Grund war die zentrale Zielsetzung dieser Arbeit, Analysemethoden zu entwickeln, mit deren Hilfe verschiedene Aspekte der Pankreas Organoid Kultur untersucht wurden...Until quite recently, stem cell technology mainly focused on pure populations of embryonic stem cells (ES) derived from the inner cell mass of the blastocyst and induced pluripotent stem cells (iPS). Using organoids, a newly established culture technique, it is now possible to culture also organ and patient-specific adult stem (AS) and induced pluripotent stem (IPS) cells in vitro. Furthermore, it has been shown that adult stem cells, grown as organoids, are genetically stable, proliferate and maintain their multi-potency (often a bi-potency) for months. This is possible by providing conditions that recapitulate the stem cell niche of the corresponding organ. Particularly, defined growth factors and a physiological scaffold, which is provided by an extracellular matrix (ECM). Because of increasing research activities, organoids became influential in the recent years. Wide-ranging interest also led to a clearer definition: organoids must contain multiple organ-specific cell types, must be able to recapitulate some organ specific functions, and the cells must be spatially organized in a way similar to the organ they are derived from. The excitement about organoids is based on their high potential as a model to understand wound healing, cellular behaviour and differentiation processes in organogenesis. Furthermore, high potential in the drug development and in personalized stem cell therapeutic approaches has been shown. Specifically, for personalized stem cell therapy, one potential application is for chronic autoimmune diseases such as Diabetes type 1 (T1D). T1D is characterized by the immune-mediated destruction of ß-cells in the Pancreas that leads to absolute insulin deficiency. In T1D the first-line therapeutic approach is exogenous insulin replacement therapy, which always implicates the risk of high fluctuations in blood-sugar levels and therefore the risk of hypoglycaemia. Another therapeutic approach is the xenotransplantation of islets from human donors. A successful islet transplantation allows patients a years-long insulin independence. However, the therapeutic value of islet transplantation is highly limited by the availability of organ donors and by the need for chronic administration of immune suppressive medication. The use of pancreas organoids offers a promising alternative as a personalized cell therapeutic approach to treat T1D without the hypoglycaemia risks of the established therapies. In 2013 Meritxell Huch and colleagues established for the first-time organoids from the exocrine, ductal part of the pancreas. These pancreas organoids are characterized by a monolayered, spherical cell epithelium which comprises a liquid filled lumen. In addition, they showed that after transplantation of these cells into immunodeficient mice, they differentiate into ß-cells and cure T1D. However, basic knowledge of the culture growth behaviour is still lacking: to date, no growth parameters are defined and reliable and robust investigation approaches are still missing. Furthermore, basic knowledge about the organoid development and biochemical/biophysical mechanisms that generate the phenotypic structure are not identified. For a clinical approach these parameters are fundamental and therefore must be defined pre-clinically. The aim of this study is the preclinical characterization of the hPOs..