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Organoide

Die biologische Forschung und die Krankheitsmodellierung rekonstruieren die Komplexität echter Gewebe

Was sind Organoide?

Organoide sind dreidimensionale (3D), mehrzellige Mikrogewebe, die aus Stammzellen gewonnen und so gestaltet wurden, dass sie die komplexe Struktur und Funktionalität eines menschlichen Organs, wie die Lunge, die Leber oder das Gehirn, imitieren. Organoide bestehen typischerweise aus einer Co-Kultur von Zellen, die einen höheren Grad der Selbstorganisation aufweisen, um im Vergleich zu traditionellen 2D-Zellkulturen eine noch bessere Darstellung komplexer In-vivo-Zellantworten und -interaktionen wiederzugeben.

Es gibt drei eindeutige Definitionen, die ein Organoid ausmachen:

  • Es ist ein 3D-Mikrogewebe, das verschiedene Zelltypen enthält.
  • Es gibt die Komplexität, Organisation und Struktur eines Gewebes wieder.
  • Es zeigt Ähnlichkeit zu zumindest einem Funktionalitätsaspekt eines Gewebes.

Die Bedeutung und die Vorteile von Organoiden

Organoide gewinnen in den Feldern der Krebsforschung, Neurobiologie, Stammzellforschung und Wirkstoffforschung zunehmend an Bedeutung, da sie eine verbesserte Modellierung humaner Gewebe ermöglichen. Da sie aus Stammzellen erzeugt werden, können Organoide ein großes Spektrum an Gewebetypen wiedergeben, darunter Leber-, Lungen-, Gehirn-, Nieren-, Magen- und Darmgewebe. Weil diese 3D-Mikrogewebe In-vivo-Organe imitieren, können sie Forschern größere Einblicke in die Mechanismen der menschlichen Entwicklung und von Erkrankungen bereitstellen. Forscher können zum Beispiel Organoide aus mutierten Zellen heranziehen, um herauszufinden, wie bestimmte Genmutationen mit bestimmten genetischen Erkrankungen zusammenhängen. Organoide können zudem die Untersuchung von Infektionserkrankungen und Wirt-Pathogen-Interaktionen ermöglichen. Und zu guter Letzt werden Forschern durch die Möglichkeit, von Patienten gewonnene Organoide für Wirkstoffscreenings und Toxizitätsbeurteilungen zu verwenden, weitere Fortschritte in der personalisierten Medizin ermöglicht.

Allgemeiner Arbeitsablauf für die Organoid-Forschung

Aufgrund der zunehmenden Komplexität von Organoiden und anderen 3D-Zellsystemen sind noch höher entwickelte Techniken für das 3D-Imaging und die Analyse erforderlich, um diese biologischen Strukturen genau und effizient zu beschreiben. Heutzutage werden automatisierte konfokale Imaging-Systeme und 3D-Bildanalyse-Software weitverbreitet genutzt, um Forschern die Optimierung ihres Arbeitsablaufs zu ermöglichen und zu optimalen Ergebnissen zu verhelfen.

Illustration Organoid-Arbeitsablauf

Schritt 1) 2D-Vorkultur

Organoide werden entweder aus primären Zellen (d. h. Darm, Lunge oder Niere) oder aus induzierten pluripotenten Stammzellen erzeugt. Stammzellen sind in der Lage, zu differenzieren und sich selbst zu einer Vielfalt von spezifischen Organoiden zusammenzulagern.

Schritt 2) 3D-Organoide entwickeln

Üblicherweise werden die Zellen mit Matrigel vermischt und Tropfen dieses Gemischs bei Raumtemperatur in eine 24-Well-Platte gesetzt. Die Platten werden dann in einen Inkubator gestellt, um feste Tropfenkuppeln zu bilden. Anschließend werden für sieben oder mehr Tage Medien hinzugegeben, um das Zellwachstum und die Differenzierung zu einem spezifischen Gewebe zu fördern (Gehirn, Darm, Lunge, etc.). Die Medien enthalten extrazelluläre Matrix (EZM), Proteine und verschiedene Wachstumsfaktoren, die je nachdem, welches Gewebe erzeugt wird, variieren.

Schritt 3) Organoid-Kultur

Eine Organoid-Kultur ist ein langwieriger Prozess und umfasst möglicherweise einige Kultivierungsschritte mit unterschiedlichen Medien. Im Verlauf dieses Prozesses müssen die Zell-Phänotypen mit Methoden überwacht werden, die normalerweise zum Nachvollziehen der Entwicklungsbiologie und zum Verständnis von Gewebe verwendet werden (PCR, Imaging).

Schritt 4) Überprüfung und Messungen

Bevor Experimente durchgeführt werden, müssen die Organoide überprüft und charakterisiert werden, um sicherzustellen, dass sie die richtige Gewebestruktur und Differenzierung aufweisen. Das High-Content-Imaging ermöglicht die Überprüfung und Visualisierung des Wachstums und der Differenzierung von Organoiden, die 3D-Rekonstruktion der Strukturen, komplexe Analysen der Organoidstruktur, Zellmorphologie und -überlebensfähigkeit sowie der Expression verschiedener Zellmarker.

Schritt 5) Konfokales Imaging und 3D-Analyse

Das konfokale Imaging und die 3D-Analyse der Organoide ermöglichen eine Visualisierung und Quantifizierung der Anzahl, Größenverteilung, Zellzahl, des Zellinhalts, der Zellüberlebensfähigkeit, des Volumens sowie die Quantifizierung der Zellproliferation und der Expression spezifischer Marker. Die Charakterisierung mehrerer quantitativer beschreibender Merkmale von Organoiden kann angewendet werden, um Krankheitsphänotypen und Verbindungseffekte zu erforschen.

Konfokales Imaging und 3D-Bildanalyse von Organoiden

Organoidstrukturen stellen ein sehr nützliches Werkzeug zur Krankheitsmodellierung und Beurteilung von Verbindungseffekten zur Verfügung. Das automatisierte Imaging und die Analyse von Organoiden sind für die Verbesserung der quantitativen Beurteilung von phänotypischen Veränderungen in Organoiden von Bedeutung, ebenso wie für die Erhöhung des Durchsatzes bei Experimenten und Tests.

 

Konfokales Imaging und 3D-Bildanalyse von Organoiden

 

Konfokales Imaging, wie mit dem ImageXpress® Confocal HT.ai System mit Hochleistungs-Lasern und Wasserimmersionsobjektiven sind für das Erfassen der Komplexität von biologischen 3D-Assays besonders nützlich. Im Gegensatz zu typischen Sphäroiden, die wie solide Objekte erscheinen und lediglich eine limitierte Lichtdurchlässigkeit aufweisen, erscheinen 3D-Organoide hohl, mit einem Lumen oder einem Hohlraum im Inneren, und sie können einfacher von Licht durchdrungen werden, was es ermöglicht, Bilder durch mehrere in Matrigel eingebettete Mikrogewebe „hindurch“ aufzunehmen.

CME-Analyse eines Atemwegs-Organoids

Imaging und Analyse eines 3D-Organoid-Modells der Atemwege. In diesem kurzen Video zeigt Andy Bashford (Imaging Applications Scientist) ein ausgezeichnetes Beispiel für ein 3D-Organoid-Modell der Atemwege, zusammen mit einigen interessanten Möglichkeiten, das meiste aus diesem Assay-Typ herauszuholen.

High-Content-Analyse-Werkzeuge wie die MetaXpress oder die IN Carta Image Analysis Software, ermöglichen das Auffinden und die Beschreibung mehrerer Objekte / Organoide, entweder im 2D-Format (für eine einzelne Ebene oder Abbildungen mit maximaler Projektion) oder in 3D, wenn Objekte aus mehreren Ebenen zusammenhängend sind und durch die Software in einem 3D-Raum rekonstruiert werden. Organoide können über ihren Durchmesser, ihr Volumen, ihre Form, die Intensität spezifischer Marker oder ihren Abstand zu anderen Objekten beschrieben werden.

Zudem können einzelne Zellen, Zellkerne oder Organellen innerhalb jedes Organoids bestimmt und vermessen werden. Dies ermöglicht das Zählen lebender und toter Zellen oder von Zellen mit einem bestimmten Marker, der auch das Volumen und die Abstände zwischen den Objekten definiert. Numerische Werte können für jedes Organoid einzeln oder als Durchschnitt pro Vertiefung erhoben werden.

Zellbild-Galerie Lungenorganoide

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Videos und Webinare

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