Modell Mensch

Tierversuche sind für viele Fragen der Immunologie unerlässlich. Innovative Methoden ermöglichen es jedoch zunehmend, sie zu reduzieren oder zu ersetzen. Berliner Forscher*innen schaffen mit Miniaturorganen aus menschlichen Zellen wertvolle Alternativen zu Tiermodellen

Der simulierte Mensch

Von einzelnen Zellen bis zur Simulation mehrerer Organe: Andreas Thiel bündelt für die Berliner Charité Alternativen zum Tierversuch in einem neuen Forschungshaus

„Bis heute sind Tierversuche der Goldstandard in der Grundlagenforschung“, sagt der Immunologe Andreas Thiel. „Die Forschung an aus dem Menschen isolierten Zellen und Geweben wurde bis vor Kurzem belächelt und kaum gefördert.“ Es gilt: Erst wenn eine These „in vivo“ – also im lebenden Organismus – bestätigt wird, hat sie die notwendige Aussagekraft. „Dabei wird häufig vergessen, dass Tierversuche in vielen Gebieten nur sehr bedingt auf den Menschen übertragbar sind und die Ergebnisse häufig mit den Haltungsbedingungen variieren“, sagt der Leiter der Arbeitsgruppe „Regenerative Immunologie und Altern“ an der Berliner Uniklinik Charité. Andreas Thiel ist nicht prinzipiell gegen Tierversuche – dort, wo sie wirklich notwendig sind. „Neue Methoden eröffnen aber immer mehr Möglichkeiten, direkt an menschlichem Gewebe zu forschen“, findet der Wissenschaftler. „Die Zeit ist reif für einen Kulturwandel weg vom Tiermodell und hin zu Alternativmethoden und gänzlich neuen Technologien“, ist der Immunforscher überzeugt.

Gemeinsam mit Roland Lauster, Leiter des Fachgebiets Medizinische Biotechnologie an der Technischen Universität (TU) Berlin und Experte für Tissue Engineering und 3D-Zellkulturen, hat Thiel vor wenigen Jahren das Projekt „Der simulierte Mensch“ auf den Weg gebracht. In einem neuen, derzeit auf dem Campus Virchow-Klinikum der Charité – Universitätsmedizin Berlin im Bau befindlichen Forschungshaus werden künftig Technologien und Know-how gebündelt, um Alternativmethoden zum Tierversuch zu entwickeln und als neuen Standard zu etablieren. Mithilfe neuester Techniken der Gewebezucht und Druckverfahren mit biologischen Materialien sollen hier Miniaturorgane entstehen, an denen Krankheiten erforscht und Therapien getestet werden. Eine weitere Säule bildet die patientennahe Erforschung einzelner Zellen – das Spezialgebiet von Andreas Thiel. Er hat mit seiner Arbeitsgruppe beispielsweise einzelne Zellen von Menschen analysiert, die geimpft wurden oder eine Infektion mit SARS-CoV-2 durchgemacht haben – oder beides. Einzelzelltechniken erlauben etwa, Erbgut, Botenstoffe und Proteine einzelner Zellen präzise zu analysieren. „Dadurch können wir erfahren, wo eine Zelle herkommt, mit welchen anderen Zellen und Geweben sie kommuniziert hat und was ihre genaue Aufgabe ist“, sagt Thiel.

Dank dieser Ansätze konnte seine Arbeitsgruppe unter anderem zeigen, dass eine vorherige Infektion mit harmloseren Coronaviren, die lediglich eine Erkältung auslösen, zu milderen Verläufen bei einer Infektion mit SARS-CoV-2 führt. Auch konnte das Team nachweisen, dass Antikörper gegen SARS-CoV-2 nach einer Impfung nur wenige Monate an den Oberflächen der Schleimhäute vorhanden sind – vermutlich der Grund, warum der direkte Schutz vor einer Infektion nach einer Impfung relativ schnell abnimmt. Die Gedächtnis-Immunzellen im Blut bleiben dagegen länger erhalten – und damit auch der Schutz vor schweren Verläufen. Für Thiel ein Paradebeispiel, wie patientennahe Forschung schnell Erkenntnisse hervorbringen kann: „Mit Tierversuchen hätten wir erst lange Zeit die Übertragbarkeit der Ergebnisse prüfen müssen“, sagt er. Wichtige Situationen, wie beispielsweise der Moment, wenn ein alterndes Immunsystem auf ein zu großen Teilen neues Virus wie SARS-CoV-2 trifft, könnten im Tiermodell zudem gar nicht abgebildet werden. 

„Die Zeit ist reif für einen Kulturwandel weg vom Tiermodell und hin zu Alternativmethoden und gänzlich neuen Technologien.“

Im Projekt „Der simulierte Mensch“ soll ein Modell des gesamten menschlichen Immunsystems entstehen. Das ist jedoch derzeit noch eine ferne Vision. Die Immunabwehr gehört zu den komplexesten Funktionen im menschlichen Organismus – eine Vielzahl an Zellen und Organen ist daran beteiligt. Thiels erstes Ziel ist deshalb bescheidener: Er möchte Immunzellen in ein im Labor gezüchtetes Gewebemodell der menschlichen Haut einbringen. So wollen die Wissenschaftler*innen genauer erforschen, welche Rolle das Immunsystem beim Schutz vor Hautkrebs spielt. „Ein solches Modell wäre schon ein Riesenschritt“, sagt Thiel.

Lungengewebe in der Gelmatrix

Andreas Hocke züchtet Lungen-Organoide, um Infektionen an menschlichem Gewebe zu erforschen und die Wirksamkeit von Medikamenten zu testen

Als Andreas Hocke in den 1990er Jahren seine Doktorarbeit schrieb, wurden Tierversuche in der Wissenschafts-Community noch kaum infrage gestellt. Er verglich damals, wie das Lungengewebe von Mensch und Maus auf Infektionen reagiert. „Bei der Arbeit mit den Versuchstieren kamen mir erhebliche inhaltliche und ethische Zweifel“, erinnert er sich. Er beschließt, dass er Tierversuche ethisch nicht vertreten möchte, und macht sich daran, Alternativmodelle zu entwickeln.

„Von meiner Entscheidung bis zur Genehmigung der ersten Projekte ohne Tierversuche war es eine lange Durststrecke“, sagt der Leiter der Arbeitsgruppe „Molekulare Bildgebung der Immunregulation“ an der Infektiologie und Pneumologie der Uniklinik Charité. Hocke schmiedet Kooperationen mit zahlreichen Lungenkliniken. Von ihnen erhält er kleine Gewebeproben, die bei der Operation von Lungen anfallen. Mit einem speziellen Verfahren bereitet er dieses Gewebe so auf, dass es über mehrere Tage am Leben gehalten werden kann – so entsteht ein alternatives, auf menschlichem Gewebe basierendes Modell, an dem sich verschiedene Infektionskrankheiten erforschen lassen. 2011 erhält er dafür den Berliner Forschungspreis für Tierversuchsalternativen.

Die Wissenschaftler*innen seiner Arbeitsgruppe erforschen vor allem, was in den ersten Stunden und Tagen bakterieller oder viraler Infektionen in der Lunge passiert. Das Lungengewebe halten sie dazu über bis zu vier Tage mit einer Nährlösung am Leben. Zu den Gewebeproben geben sie dann ein bestimmtes Virus oder Bakterium und beobachten, wie die verschiedenen Zelltypen der Lunge darauf reagieren. Mittlerweile hat er das Lungenmodell weiterentwickelt: Aus dem Gewebe hat er Stammzellen isoliert, die zur Bildung von neuem Lungengewebe in der Lage sind. Schritt für Schritt soll nun ein komplexeres Modell entstehen, mit einem Gerüst aus Bindegewebe, Blutgefäßen und Immunzellen – um sich so immer näher an das Vorbild der menschlichen Lunge anzunähern.

„Mit Tiermodellen lassen sich manche Fragen nur schwer beantworten, da die Krankheit der Maus sich nicht genauso entwickelt wie im Menschen.“

„Die Forschung mit Tierversuchen hat über viele Jahrzehnte eine große Zahl an Funktionen des Immunsystems offenbart“, sagt Hocke. Neben seinen persönlichen ethischen Vorbehalten sieht er jedoch auch inhaltliche Probleme, die damit einhergehen. Rezeptoren, Botenstoffe und Mechanismen der Immunantwort – in den Details zeigen sich eben doch zahlreiche Unterschiede zwischen Maus und Mensch. Beispiel SARS-CoV-2: Dank seiner Lungenmodelle konnte Hocke zeigen, dass das Coronavirus auf eine bestimmte Rezeptorart angewiesen ist. Mäuse haben diesen Rezeptor nicht, weshalb sie als Modell für den Infektionsverlauf nur bedingt geeignet sind.

Ähnlichen Fragen geht er im Einstein-Zentrum 3R nach, in dem die Einstein Stiftung zahlreiche Forschungsansätze zur Entwicklung von Alternativen zum Tierversuch fördert. 3R steht für replace, reduce, refine – also Tierversuche vermeiden, verringern, verbessern. Andreas Hocke leitet hier ein Projekt, bei dem die Vergleichbarkeit und Aussagekraft verschiedener Krankheitsmodelle – tierischer wie menschlicher – am Beispiel von COVID-19 im Fokus stehen. Seine menschlichen Lungenmodelle möchte er künftig auch nutzen um pharmakologische Substanzen auf ihre Wirksamkeit bei Lungeninfektionen zu testen. Die Pharmaindustrie zeigt bereits großes Interesse und signalisiert einen hohen Bedarf, denn humane Modelle könnten die Vorhersagekraft solcher Tests deutlich verbessern. Manchmal reibt Hocke sich angesichts des rasant steigenden Interesses an Alternativmethoden zum Tierexperiment die Augen. Längst habe sich eine ganze Community von Forscher*innen gebildet, die nur noch auf humane Modelle statt Versuchstieren setzten. „Mit meinem Ansatz stand ich lange am Rand, heute stehe ich in der Mitte einer Bewegung“, sagt Hocke.

Mägen in Miniatur

Sina Bartfeld möchte wissen, wie der Verdauungstrakt Erreger in Schach hält und nutzt dazu Miniaturmägen aus dem Labor anstelle von Versuchstieren

Einen kompletten Verdauungstrakt können sie noch nicht ersetzen – aber als alternatives Modell für Magen und Darm halten die Mini-Organe von Sina Bartfeld schon her. Die Leiterin des Fachgebiets Medizinische Biotechnologie an der TU Berlin hat sich auf Infektionen im Magen- und Darmtrakt spezialisiert – und setzt dabei ausschließlich auf gezüchtete Modellorgane aus ihrem Labor. Aus Gewebeproben von Magen und Darm extrahiert sie Stammzellen und nimmt sie in Kultur. Die Stammzellen bilden innerhalb weniger Tage kleine Hohlkörper – etwa einen halben Millimeter große Miniaturmägen, die mit bloßem Auge sichtbar sind. Sie verfügen über zahlreiche spezialisierte Zellen, die beispielsweise Magensäure, Verdauungsenzyme oder Schleim produzieren – wie ihre größeren Vorbilder im Menschen. Besonders faszinierend: Schreddert man die kleinen Verdauungsorgane und gibt sie anschließend erneut in eine Gelmatrix, bildet sich aus jedem Bruchstück erneut ein MiniOrgan. „So können wir einzelne Organoide über längere Zeiträume in Kultur halten“, erläutert Bartfeld begeistert.

Die Forscherin hat sich schon in ihrer Doktorarbeit mit Infektionen des Verdauungstrakts befasst. Damals untersuchte sie die Reaktion von Krebszellen auf das Bakterium Helicobacter pylori. Jeder zweite Mensch trägt diesen Keim in sich – warum entwickelt sich bei manchen Menschen aus der Infektion Krebs, während andere vollkommen unbeeinträchtigt bleiben? „Mit Tiermodellen lassen sich manche Fragen nur schwer beantworten, da die Krankheit der Maus sich nicht genauso entwickelt wie im Menschen“, sagt Bartfeld. Sie entschließt sich, Organoide zu entwickeln, die die verschiedenen Abschnitte des Verdauungstrakts repräsentieren.

Mittlerweile nutzen die Wissenschaftler*innen ihrer Arbeitsgruppe Mini-Organe, die den Magen, den Dünndarm und den Dickdarm repräsentieren. Damit untersuchen sie, wo verschiedene Erreger im Verdauungstrakt mit welchen Rezeptoren erkannt werden und welche Reaktionen sie in den einzelnen Abschnitten des Magen-Darm-Trakts hervorrufen. Ein erstes Ergebnis: Die einzelnen Ebenen – von der Speiseröhre bis zum Enddarm – reagieren sehr unterschiedlich und haben verschiedene Erkennungsmechanismen und Reaktionsmuster auf die jeweiligen Keime. „Die Immunabwehr im Verdauungsapparat ist ein hochkomplexes und sehr fein aufeinander abgestimmtes System“, schließt Bartfeld daraus.

Als Nächstes möchte die Wissenschaftlerin ihre Mini-Mägen mit Knochenmark auf einem Multi-Organ-Chip zusammenbringen. Auf solchen Chips lassen sich unterschiedliche Organmodelle mit einem künstlichen Blutkreislauf verschalten, um deren Interaktion zu simulieren. Damit möchte sie herausfinden, welche Folgeprozesse die primären Abwehrreaktionen der Verdauungsorgane im Knochenmark auslösen, wo unter anderem die im Immunsystem zentralen weißen Blutkörperchen gebildet werden. In der Infektionsforschung gebe es mittlerweile zahlreiche Bereiche, in denen die Forschung mit Organoiden hervorragende Ergebnisse liefern könne. „Dort, wo es möglich ist, sollten Tierversuche deshalb nun auch zügig ersetzt werden“, ist Bartfeld überzeugt.

„Dort, wo es möglich ist, sollten Tierversuche nun auch zügig ersetzt werden.“

Denkorgane aus der Petrischale

Wie entstehen Hirnschäden nach einem Schlaganfall? Philipp Mergenthaler sucht nach Antworten mithilfe winziger Hirnmodelle, die er aus menschlichen Stammzellen züchtet

Sie sind wenige Millimeter groß und verfügen bereits über hirnähnliche Areale wie das Großhirn oder das Stammhirn. Die aus human induzierten pluripotenten Stammzellen gezüchteten Mini-Gehirne aus dem Labor des Neurologen und Einstein Junior Fellows Philipp Mergenthaler kommen schon ganz nah dran an das Original. „Soweit man das vergleichen kann, entsprechen die Organoide in etwa dem genetischen Entwicklungsstand bei einem Neugeborenen“, sagt der Hirnforscher, der sich am Centrum für Schlaganfallforschung der Charité – Universitätsmedizin Berlin mit den Folgen von Schlaganfällen beschäftigt. Mergenthaler befasst sich vor allem mit der Frage, wie Hirnschäden bei einem Schlaganfall entstehen. Das Immunsystem spielt dabei eine entscheidende Rolle – denn nach dem eigentlichen Schlaganfall, bei dem bestimmte Hirnareale nicht mehr durchblutet werden und infolge des Sauerstoffmangels sterben, entstehen Entzündungen. Einwandernde Immunzellen führen schließlich zum Zelltod vieler Nervenzellen – ein Prozess, der die kurz- und langfristigen Folgen eines Schlaganfalls für den Patienten maßgeblich mitbestimmt. „Wir wollen verstehen, welche Zellen und Botenstoffe daran beteiligt sind und wie man die Schädigung des Hirngewebes verringern kann“, sagt der Forscher.

Das komplexe Geschehen eines Schlaganfalls kann man in seiner Gesamtheit bis heute nur im Tiermodell nachbilden. Aber einzelne Aspekte lassen sich durch die gezüchteten Miniaturhirne isoliert untersuchen, deren Entwicklung auch in einem Projekt am Einstein-Zentrum 3R gefördert wird. In Zukunft, so die Hoffnung, könnte man neue Fragestellungen oder Therapieoptionen dann im ersten Schritt an den Labor-Gehirnen untersuchen – und Tierversuche dadurch reduzieren oder mit präziseren Fragestellungen durchführen. Im Labor kann Mergenthaler problemlos mehrere Hundert Organoide für ein Experiment herstellen – dasselbe Experiment mit Versuchstieren durchzuführen, wäre mit einem deutlich höheren Aufwand verbunden.

Seine Gehirnmodelle hält Mergenthaler bisher für wenige Monate bis maximal eineinhalb Jahre in Kultur. Können die im Labor gezüchteten Gehirn-Modelle irgendwann auch denken oder lernen? „Das wäre vielleicht zu viel gesagt“, lacht Mergenthaler, „aber nach einer gewissen Entwicklungszeit beginnen die Zellen, miteinander zu kommunizieren.“ Manche Organoide bilden sogar Zellen der Netzhaut des Auges aus – die Netzhaut ist entwicklungsbiologisch ein Teil des Gehirns. Was entwickelt sich, wenn man die künstlichen Organe noch länger in Kultur hält? Und welche Forschungsansätze werden in der Neurologie künftig daraus entstehen? Philipp Mergenthaler: „Wir stehen derzeit noch ganz am Anfang dieser Entwicklung.

„Myasthenia gravis wurde lange Zeit nur mit Tiermodellen erforscht, doch alle Therapieansätze, die bei diesen Forschungsarbeiten entwickelt wurden, erwiesen sich im Menschen als unwirksam.“

3D-Modelle von Mini-Muskeln

Mina Gouti erschafft aus Stammzellen ein komplexes Modell von Muskeln und Nervenzellen für eine Autoimmunerkrankung – und sucht daran nach wirksamen Therapien

Das Immunsystem schützt uns vor Krankheiten – normalerweise. Doch in manchen Fällen zerstören Immunzellen Gewebe und Funktionen unseres Körpers. Beispiel Myasthenia gravis: Bei dieser Krankheit bildet das eigene Immunsystem Antikörper gegen einen bestimmten Rezeptor, der eine entscheidende Rolle bei der Signalübertragung von den Nerven auf die Muskeln spielt. Die Folge: Lähmungen einzelner Muskelpartien, die meist erst die Augenlider betreffen und sich im weiteren Verlauf auf große Teile des Körpers ausbreiten können.

„Diese Erkrankung wurde lange Zeit nur mit Tiermodellen erforscht“, sagt Mina Gouti, Stammzellforscherin am Max Delbrück Center in Berlin-Buch, „doch alle Therapieansätze, die bei diesen Forschungsarbeiten entwickelt wurden, erwiesen sich im Menschen als unwirksam.“ In Zusammenarbeit mit dem Einstein-Zentrum 3R entwickelt sie deshalb ein Krankheitsmodell, das auf menschlichen Zellen basiert. Eine besonders große Herausforderung dabei: Sowohl Nerven und Muskeln als auch Antikörper und Immunzellen tragen zu dem hochkomplexen Krankheitsgeschehen bei. „Die Techniken für Stammzellkultur und 3D-Gewebezucht erlauben uns aber mittlerweile, auch Modelle mit verschiedenen Geweben herzustellen“, sagt Gouti. In dem Projekt kooperiert die Forscherin mit zwei weiteren Arbeitsgruppen des Max Delbrück Centers: Simone Spuler, die genetische Muskelkrankheiten erforscht, sowie Friedemann Paul, Experte für neuroimmunologische Erkrankungen. Die Kooperationspartner liefern das Ausgangsmaterial für die Zucht der Organoide. Sie nehmen den Patient*innen Blut ab und entnehmen eine Hautprobe. Aus der Haut extrahiert Mina Gouti Zellen und programmiert sie im Reagenzglas zu Stammzellen um.

Diese sogenannten induzierten Stammzellen entwickeln sich in einem aufwendigen Herstellungsprozess schließlich zu Muskel und Nervenzellen, die miteinander verbunden sind. Die so erzeugten Nerven senden Nervenreize an die Muskelzellen und bringen die Mini-Muskeln dazu, sich zusammenzuziehen – alles in der Petrischale. Im letzten Schritt extrahieren die Wissenschaftler*innen der Gruppe von Simone Spuler aus dem Blut der Myasthenia-gravis-Patient*innen Immunzellen und Antikörper und geben das Gemisch zu den Organoiden. Kurz darauf kontrahieren sich die Muskeln nicht mehr – wie im Körper der Erkrankten.

Weitere Modelle für andere Autoimmunerkrankungen wie Neuromyelitis optica, einer entzündlichen Erkrankung des zentralen Nervensystems, sind bereits in der Entwicklung und werden in Zusammenarbeit mit Friedemann Paul etabliert. Ebenso für degenerative Nervenleiden wie Amyotrophe Lateralsklerose (ALS). „An diesen Modellen wollen wir nun verschiedene Wirkstoffe testen“, sagt Gouti. So können die Forscher*innen hoffentlich bald neue wirksame Therapieoptionen finden – ganz ohne Maus & Co.

Text von Dietrich von Richthofen

Stand: Dezember 2022