Modellierung von Infektionskrankheiten in menschlichen 3D-Organoiden
Organoide sind komplexe dreidimensionale Zellcluster, die entweder aus Stammzellen oder organspezifischen Vorläuferzellen stammen. Wenn diese Zellen mit einem externen Gerüst wie Matrigel ausgestattet werden, bilden sie einen komplexen Zellcluster, der sich später zu einer Miniaturversion eines Organs differenziert und in der Lage ist, eine in vivo-ähnliche Zellarchitektur und -funktion nachzuahmen (3). Derzeit können die meisten Organoide als Gewebeorganoide oder aus Stammzellen gewonnene Organoide kategorisiert werden (1,2).
Aus Stammzellen und Gewebe gewonnene Organoide
Von Stammzellen abgeleitete Organoide können aus pluripotenten embryonalen Stammzellen (ES), induzierten pluripotenten Stammzellen (iPS) oder organspezifischen adulten Stammzellen (aSCs) erzeugt werden (4). Gewebeorganoide beruhen auf der Fähigkeit von Epithelzellen, sich selbst zu organisieren und gewebeähnliche Strukturen zu bilden, sowie von Wachstumsfaktoren, um die zelluläre Umgebung in vivo nachzuahmen.
Die Organoid-Technologie ist mit einer Vielzahl von Geweben kompatibel. Organoide sind über lange Zeiträume stabil und weisen eine umfassende 3D-Gewebearchitektur auf, was sie zur beliebten Wahl für viele biologische und klinische Anwendungen macht. Bisher wurde eine breite Palette von Organoiden aus verschiedenen menschlichen Geweben wie Schilddrüse, Bauchspeicheldrüse, Leber, Magen, Großhirnrinde, Darm, Niere, Lunge und Netzhaut etabliert (2).
Studien zu Infektionskrankheiten
Im letzten Jahrzehnt wurden organoide 3D-Kulturmodelle für Studien zu Infektionskrankheiten verwendet. Beispielsweise wurden Gehirnorganoide verwendet, um die Auswirkungen des Zika-Virus auf die menschliche Gehirnentwicklung und den Zusammenhang zwischen Zika-Virus und Mikrozephalie zu untersuchen (5). Darmorganoidmodelle wurden entwickelt, um Wirt-Pathogen-Wechselwirkungen bei Rotaviren (6) und Noroviren (7) zu untersuchen. Die Auswirkungen von Helicobacter pylori auf den Magen wurden durch die Injektion von Bakterien in das Lumen von Magenorganoiden untersucht (8).
In jüngerer Zeit wurden Leberorganoide verwendet, um die Auswirkungen von COVID-19 zu untersuchen. Diese Leberorganoide wurden aus menschlichen pluripotenten Stammzellen gewonnen und zeigten eine hohe Anfälligkeit für eine SARS-CoV-2-Infektion, was sie zu einem hervorragenden Modell zur Untersuchung der Pathogenität des Virus und der daraus resultierenden zellulären Reaktion macht (9,10).
Organoide sind eine zuverlässige und vielseitige Plattform, die bessere Einblicke in den In-vivo-Zustand von Zellen und Organen ermöglicht. Dank der rasanten Weiterentwicklung der Organoid-Technologie, die die Erzeugung von Organoiden einfach, schnell und reproduzierbar macht, haben Organoide in der Infektionskrankheitsforschung eine glänzende Zukunft vor sich.
Bibliographie
1. Clevers H. (2016). Modellierung von Entwicklung und Krankheit mit Organoiden. Zelle. 165 (7), 1586–1597.
2. Cacciamali A, Villa R und Dotti S (2022) 3D-Zellkulturen: Entwicklung eines alten Werkzeugs für neue Anwendungen. Vorderseite. Physiol. 13:836480.
3. Huch M., Koo B.-K. (2015). Modellierung der Maus- und menschlichen Entwicklung mithilfe organoider Kulturen. Entwicklung 142 (18), 3113–3125.
4. Lancaster MA, Knoblich JA (2014). Organogenese in einer Schüssel: Modellierung von Entwicklung und Krankheit mithilfe organoider Technologien. Wissenschaft 345 (6194).
5. Wen Z., Song H., Ming G.-l. (2017). Wie verursacht das Zika-Virus Mikrozephalie? Gene. Entwickler 31 (9), 849–861.
6. Yin Y., Bijvelds M., Dang W., Xu L., van der Eijk AA, Knipping K., et al. (2015). Modellierung von Rotavirus-Infektionen und antiviraler Therapie unter Verwendung primärer Darmorganoide. Antivirale Res. 123, 120–131.
7. Ettayebi K., Crawford SE, Murakami K., Broughman JR, Karandikar U., Tenge VR, et al. (2016). Replikation menschlicher Noroviren in aus Stammzellen gewonnenen menschlichen Enteroiden. Wissenschaft 353 (6306), 1387–1393.
8. Bartfeld S., Bayram T., van de Wetering M., Huch M., Begthel H., Kujala P., et al. (2015). In-vitro-Expansion menschlicher Magenepithelstammzellen und ihre Reaktionen auf bakterielle Infektionen. Gastroenterologie 148 (1), 126–136.
9. Yang L., Han Y., Nilsson-Payant BE, Gupta V., Wang P., Duan X., et al. (2020). Eine auf menschlichen pluripotenten Stammzellen basierende Plattform zur Untersuchung des SARS-CoV-2-Tropismus und der Modellvirusinfektion in menschlichen Zellen und Organoiden. Zelle. Stammzelle. 27 (1), 125–136.
10. Zhu L., She Z.-G., Cheng X., Qin J.-J., Zhang X.-J., Cai J., et al. (2020). Zusammenhang zwischen Blutzuckerkontrolle und Ergebnissen bei Patienten mit COVID-19 und vorbestehendem Typ-2-Diabetes. Zelle. Metab. 31 (6), 1068–1077.
