Erstes vaskularisiertes Inselzell-Organoid

Einem Team des Max Delbrück Center ist es erstmals gelungen, ein vaskularisiertes Organoid der hormonproduzierenden Zellen der Bauchspeicheldrüse zu entwickeln.

Es wird die Forschung zu Diabetes und zellbasierten Therapien deutlich erleichtern, davon ist das Team um Prof. Maike Sander, wissenschaftliche Vorständin des Max Delbrück Center überzeugt. Ihnen ist es nun erstmals gelungen, aus menschlichen pluripotenten Stammzellen ein vaskularisiertes Organoid-Modell der Langerhansinseln in der Bauchspeicheldrüse zu entwickeln. Die Ergebnisse wurden jetzt in der Fachzeitschrift Developmental Cell veröffentlicht.

Die Langerhansinseln in der Bauchspeicheldrüse beherbergen unterschiedliche Arten hormonproduzierender Zellen, darunter die für die Insulin-Ausschüttung zuständigen Betazellen. Die Forscher der Arbeitsgruppe um Prof. Sander haben nun herausgefunden, dass Insel-Organoide mit integrierten Blutgefäßen eine größere Anzahl reifer Betazellen enthielten und mehr Insulin produzierten als ihre nicht vaskularisierten Gegenstücke. Die vaskularisierten Organoide ahmten die im Körper vorhandenen Inselzellen besser nach.

„Unsere Ergebnisse unterstreichen, wie wichtig das Netzwerk der Gefäße für die Funktion der Inselzellen in der Bauchspeicheldrüse ist“, erklärt Prof. Sander. „Dieses Modell ermöglicht es uns, die natürliche Umgebung der Bauchspeicheldrüse besser nachzuahmen. Das ist für die Diabetesforschung und die Entwicklung neuer Behandlungsmethoden entscheidend.“

Eine Ingenieursleistung: Stammzellinseln mit Blutgefäßen

Aus Stammzellen entwickelte Inselzell-Organoide – also Mini-Organe, die Insulin produzierende Zellverbände außerhalb des Körpers nachbilden – nutzen Forscher, um Diabetes und andere endokrine Erkrankungen der Bauchspeicheldrüse besser zu verstehen. Die Beta-Zellen in diesen Organoiden bleiben jedoch in der Regel unreif. Das macht sie zu suboptimalen Modellen der In-vivo-Bedingungen, sagt Prof. Sander. Obwohl es verschiedene Ansätze gibt, die die Reifung der Betazellen fördern sollen, blieb deren Erfolg bisher begrenzt, sagt Sander.

Um die natürliche Umgebung besser nachzuahmen, fügten das Team nun zwei Zelltypen zu den aus Stammzellen gezüchteten Insel-Organoiden hinzu: menschliche Endothelzellen, die die Blutgefäße auskleiden, sowie Fibroblasten, Zellen, die an der Bildung von Bindegewebe beteiligt sind. Das Team experimentierte mit verschiedenen Zellkulturmedien, bis sie die richtige Mischung gefunden hatte. Die Zellen überlebten nicht nur, sondern reiften und bildeten ein Netzwerk von röhrenförmigen Blutgefäßen, die die Inseln umgaben und durchzogen.

„Die Entwicklung der richtigen Rezeptur war unser Durchbruch“, sagt Prof. Sander. „Fünf Jahre lang hat ein engagiertes Team von Stammzellbiologen und Bioingenieuren nach den geeigneten Bedingungen gesucht.“

Vaskularisierte Inselzell-Organoide sind reifer 

Beim Vergleich von vaskularisierten und nicht vaskularisierten Organoiden zeigte sich, dass Inseln mit Blutgefäßen mehr Insulin ausschütten, wenn sie hohen Glukosewerten ausgesetzt waren. „Unreife Betazellen reagieren hingegen nicht gut auf Glukose. Das zeigte uns, dass das vaskularisierte Modell reifere Zellen bildete“, führt Prof. Sander weiter aus.

Anschließend untersuchten die Wissenschaftler, wie das Gefäßsystem den Organoiden genau bei der Reifung hilft. Sie identifizierten zwei Schlüsselmechanismen: Endothelzellen und Fibroblasten unterstützen einerseits den Aufbau einer extrazellulären Matrix – das ist ein Netzwerk aus Proteinen und Kohlenhydraten auf der Zelloberfläche. Die Bildung der Matrix selbst signalisiert den Zellen, dass sie reifen sollen. Andererseits schütten die Endothelzellen das knochenmorphogenetische Protein (BMP) aus, das wiederum die Betazellen zur Reifung anregt. Da auch mechanische Kräfte die Insulinausschüttung stimulieren, integrierte das Team die Organoide in Mikrofluidik-Chips, sodass sie die Nährlösung direkt durch die Gefäßnetzwerke pumpen konnten. Dabei nahm der Anteil reifer Betazellen sogar weiter zu.

In einem letzten Schritt wiesen die Forscher nach, dass vaskularisierte Inselzell-Organoide auch im lebenden Organismus mehr Insulin ausschütten. Diabetische Mäuse, die keine vaskularisierten Inselzell-Transplantate erhielten, schnitten schlechter ab als Mäuse, denen vaskularisierte Inselzellen eingepflanzt wurden. Einige dieser Mäuse zeigten 19 Wochen nach der Transplantation keinerlei Anzeichen einer Erkrankung mehr. Diese Ergebnisse bestätigen andere Studien, die gezeigt hatten, dass eine vorgeschaltete Vaskularisierung die Funktion transplantierter Inseln verbessert.

Neues Modell für die Forschung an Typ-1-Diabetes

Prof. Sander will nun mit den vaskularisierten Inselzell-Organoid-Modellen Typ-1-Diabetes untersuchen. Typ-1-Diabetes wird durch Immunzellen verursacht, die die Betazellen in der Bauchspeicheldrüse angreifen und zerstören – im Gegensatz zum Typ-2-Diabetes, bei dem die Bauchspeicheldrüse mit der Zeit weniger Insulin produziert und die Körperzellen gegen die Wirkung des Insulins resistent werden.

Dafür züchten die Professorin und ihr Team am Max Delbrück Center vaskularisierte Organoide aus Zellen von Typ-1-Diabetikern. Diese Organoide übertragen sie auf Mikrofluidik-Chips und geben Immunzellen der Erkrankten hinzu. „Wir wollen verstehen, wie die Immunzellen die Betazellen zerstören“, erklärt Prof. Sander. „Unser Ansatz liefert ein realistischeres Modell für die Funktion der Inselzellen und könnte dazu beitragen, in Zukunft bessere Behandlungsmethoden zu entwickeln.“