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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 sind multizellulär und weisen einen hohen Grad an Selbstorganisation auf. Sie geben komplexe In-vivo-Zellantworten und Zell-Interaktionen im Vergleich zu traditionellen 2D-Zellkulturen noch besser wieder.

Es gibt drei eindeutige Definitionen, die ein Organoid ausmachen:

  • Es ist ein biologisches 3D-Mikrogewebe, das verschiedene Zelltypen enthält.
  • Es gibt die Komplexität, Organisation und Struktur eines Gewebes wieder.
  • Es zeigt Ähnlichkeit mit 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 in ein großes Spektrum an Gewebetypen differenziert werden, 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 genetisch modifizierten Zellen dazu heranziehen, 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 Proteine der extrazellulären Matrix (EZM) und verschiedene Wachstumsfaktoren, die variieren, je nachdem, welches Gewebe erzeugt wird.

Schritt 3) Organoid-Kultur

Eine Organoid-Kultur ist ein langwieriger Prozess und umfasst möglicherweise einige Kultivierungsschritte mit unterschiedlichen Medien. Im Verlauf dieses Prozesses muss die Gesundheit der Zellen mit Methoden überwacht werden, die normalerweise zum Nachvollziehen der Entwicklungsbiologie und zum Verständnis von Geweben herangezogen werden (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. 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 von Organoiden ermöglichen die Visualisierung und Quantifizierung der Organoide und der Zellen, die das Organoid bilden. Die Charakterisierung mehrerer quantitativer beschreibender Merkmale von Organoiden kann angewendet werden, um Krankheitsphänotypen und Verbindungseffekte zu erforschen.

Konfokales Imaging und 3D-Bildanalyse von Organoiden

Organoide sind zur Krankheitsmodellierung und zur Beurteilung von Verbindungseffekten sehr nützlich. Das automatisierte Imaging und die automatisierte Analyse von Organoiden sind zur quantitativen Beurteilung von phänotypischen Veränderungen in Organoiden von Bedeutung, ebenso wie für die Erhöhung des Durchsatzes von 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 die Erfassung 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 manche 3D-Organoide wie Lungen-Organoide hohl, mit einem Lumen oder einem Hohlraum im Inneren, und sie können einfacher von Licht durchdrungen werden, was es ermöglicht, Bilder durch die 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

Anwendungen und Assays

  • Gehirn-Organoide

    Zerebrale (Gehirn-)Organoide

    Gehirn-Organoide sind 3D-Gewebemodelle, die eine oder mehrere Regionen des Gehirns nachbilden. Sie können die Unzulänglichkeiten herkömmlicher post mortem gewonnener Hirngewebe und Tierhirn-Gewebemodelle überwinden und klinisch relevante Ergebnisse liefern.

    Gehirn-Organoide bieten großes Potential für das Verständnis der Entwicklung des Gehirns und neuronaler Erkrankungen. Sie können zur Erforschung genetischer Erkrankungen und der Wirkung von Verbindungen eingesetzt werden. Um die Einzigartigkeit des menschlichen Gehirns zu erfassen, sind jedoch funktionelle Assays und High-Content-Imaging-Systeme erforderlich.

    Mehr über Gehirn-Organoide erfahren 

    Darm-Organoide

    Darm-Organoide

    Darm-Organoide sind 3D-Gewebemodelle, die Strukturen des Darmlumens und des umgebenden Darmepithels nachbilden.

    Aufgrund der Zusammensetzung und Anordnung der Zellen des Epithels eignen sich Darm-Organoide zur Untersuchung der Biologie, der Regeneration und der Differenzierung von Darmzellen sowie von Krankheits-Phänotypen, einschließlich der Auswirkungen bestimmter Mutationen, des Mikrobioms oder von Entzündungsprozessen.

    Mehr über Darm-Organoide erfahren 

  • Labor-Automatisierung für den Arbeitsablauf des Organoid-Screenings

    Labor-Automatisierung für den Arbeitsablauf des Organoid-Screenings

    Für Labor-Automatisierungslösungen werden Wissenschaftler und Techniker mit einbezogen, die unsere Instrumente benutzerdefiniert anpassen und ganze Arbeitsabläufe so automatisieren können, dass sie den speziellen Bedürfnissen Ihres Assays, Protokolls oder der von Ihnen angewendeten Methode gerecht werden. Von Inkubatoren, Liquid-Handlern und Robotersystemen bis hin zu benutzerspezifisch angepasster Software und Hardware – und mit über 35 Jahren Erfahrung in der Life-Science-Industrie – Sie können darauf zählen, dass wir Ihnen Qualitätsprodukte liefern und weltweit technische Unterstützung bieten.

    Erfahren Sie mehr darüber, wie robotergestützte automatisierte Arbeitszellen und die KI-basierte Bildanalyse Sie dabei unterstützen können, einen effizienten und kompletten Arbeitsablauf bei der Organoidentwicklung zu entwickeln.

    Von Patienten stammende Organoide (Tumoroide)

    Von Patienten stammende Organoide

    Von Patienten stammende Organoide bzw. Tumoroide sind Kulturen aus Tumorzellen, die individuellen Patienten entnommen wurden. Tumoroide stellen für die Krebsforschung, die Wirkstoffentwicklung und die personalisierte Medizin äußerst wertvolle Werkzeuge dar.

    Eine frühzeitige Erkennung und Behandlung von Tumoren ist für die Überlebensrate von Brustkrebspatientinnen entscheidend. Um den Krankheitsmechanismus zu verstehen, Tumorbiomarker zu analysieren und Krebsmedikamente zu testen, ist die Verwendung klinisch relevanter Tumormodelle erforderlich. Brustkrebs-Tumoroide bieten eine Plattform, mit der die Tumorphysiologie und das Ansprechen auf gezielte Therapien erforscht werden können.

    Erfahren Sie, wie Sie das Wachstum von Brustkrebs-Tumoroiden und die Wirksamkeit von Krebsbehandlungen mithilfe von Hochdurchsatz-Screening- und High-Content-Imaging-Lösungen analysieren können:

    Mehr über von Patientinnen gewonnene Brustkrebs-Tumoroide erfahren 

  • Pulmonale (Lungen-)Organoide

    Pulmonale (Lungen-)Organoide

    Lungen-Organoidkulturen sind 3D-Mikrogewebemodelle, die die morphologischen und funktionellen Eigenschaften der Atemwege, wie die Schleimsekretion, den Zilienschlag und die Regeneration, nachbilden. Diese biologische Relevanz ermöglicht die Untersuchung von Reparatur- / Regenerationsmechanismen bei einer Lungenschädigung und von phänotypischen Veränderungen bei Lungenkrankheiten. Lungen-Organoide können auch zur Beurteilung der Toxizität oder für Wirkstofftests eingesetzt werden.

    Mehr über Lungen-Organoide erfahren 

Neueste Ressourcen

Ressourcen für Organoide

Videos und Webinare

Aufkommende Organoid-Modelle: Übertragung der Grundlagenforschung auf die Entwicklung von Wirkstoffen und die regenerative Medizin

Anwendungen und Analyse von Organoid-Systemen

Automatisierung der Kultivierung und des High-Content-Imaging von 3D-Organoiden für die In-vitro-Beurteilung der Wirkung von Verbindungen

Erste Schritte mit 3D-Modellen und dem Imaging humaner Gewebe

Die Komplexität der Zellbiologie erfassen

Überwachung der Entwicklung von Organoiden in aus iPSC stammenden 3D-Gehirn-Organoiden

ISSCR 2021 – Innovationsschaufenster: Automatisierte Kultivierung und High-Content-Imaging von 3D-Lunge und Herz

Tour durch das Organoid Innovation Center

Tour durch das Organoid Innovation Center

Die Komplexität der 3D-Biologie erfassen: Organoide für die Krankheitsmodellierung und Toxizitätsforschung

Krankheitsmodellierung im 21. Jahrhundert: Automatisierte Organoid-Assays mittels 3D-Imaging

Aus Organoiden erzeugte Organ-on-a-Chip-Systeme zur Wirkstoffentwicklung und Krankheitsmodellierung im Hochdurchsatz-Format

Die Entwicklung von Organ-on-a-Chip-Gewebemodellen im Hochdurchsatz-Format für die Wirkstoffforschung mittels High-Content-Imaging

Physiologisch relevante Gewebemodelle anhand einer Organ-on-a-Chip-Plattform mit hohem Durchsatz

Physiologisch relevante Gewebemodelle durch Verwendung einer Hoch-Durchsatz Organ-on-a-Chip-Plattform