Alternativmethoden
Die Wissenschaftler:innen des BNITMs haben ein großes Interesse daran, die Infektionsforschung tierversuchsfreier Methoden voranzutreiben. Diese sogenannten Alternativmethoden stellen dabei im Sinne des 3R-Prinzips eine Mischung aus Ersatz- und Ergänzungsmethoden dar, die dazu dienen Tierzahlen zu reduzieren (reduce) und Eingriffe am Tier zu verbessern (refine).
Ein Schwerpunkt am BNITM ist der Einsatz humaner Organoide anstelle der Infektionsforschung am lebenden Tier. Organoide sind dreidimensionale im Labor gezüchtete Zellgruppen, die sich selbst zu Zellstrukturen organisieren und so der Entwicklung und Organisation von Geweben und Organen im menschlichen Körper ähneln. Diese in vitro miniaturisierten vereinfachten Modellsysteme von Organen stammen entweder aus reprogrammierten pluripotenten Stammzellen, die durch Differenzierung spezialisierte Zellen wie beispielsweise Leberzellen bilden können, oder aus gesunden primären Spenderzellen. Diese Systeme beruhen in der Regel auf Erkenntnissen aus früheren Tierversuchen.
Gegenwärtig setzen wir am BNITM bereits humane Organoide in mehreren unterschiedlichen Studien bei einer Vielzahl parasitärer und viraler Infektionskrankheiten ein. So nutzen wir z. B. Lungen- und/oder Leberorganoide, um Mechanismen des angeborenen Immunsystems zu identifizieren, die bei viralen Erkrankungen wie Influenza oder parasitären Erkrankungen wie Leishmaniose eine Rolle spielen. Um hier bessere Einblicke auf systembiologischer Ebene zu erhalten, finden erste Infektionsmodelle zudem bereits Anwendung auf Multiorgan-Chips, auf denen verschiedene Organoide in einen physiologischen Verbund gebracht werden. Die Anwendung dieser Ansätze kann zukünftig neue potenzielle Strategien zur Behandlung dieser Erkrankungen bieten.
Obwohl das BNITM bestrebt ist, Tierversuche in ihrer Gesamtheit zu reduzieren, ist es bisher noch nicht möglich für bestimmte Fragestellungen gänzlich auf Tierversuche zu verzichten, da Alternativmethoden bisher häufig nur Teilaspekte der komplexen Vorgänge im menschlichen Körper simulieren können.
Um die Forschung auf diesem Gebiet mit innovativen Methoden und Technologien weiterzuentwickeln, ist das BNITM Teil des Leibniz-Forschungsnetzwerks „Stammzellen und Organoide“. Hier bündeln verschiedene Institute der Leibniz-Gemeinschaft ihre Kompetenzen, so dass diese organähnlichen Versuchsmodelle eine zusätzliche alternative Methode zu Tierversuchen darstellen können.
Weitere Informationen zu dem Leibniz-Forschungsnetzwerk finden Sie auf der Webseite der Leibniz-Gemeinschaft.
Amöbiasis
Sphäroid-basiertes Monolayer-Modell zur Untersuchung von Wirt-Parasit-Interaktionen
Darmorganoide sind In-vitro-Systeme, die organspezifische strukturelle und funktionelle Eigenschaften nachahmen und aus sogenannten Sphäroiden erzeugt werden können. Diese „Mini-Därme“ verfügen über ein Lumen und enthalten charakteristische Zelltypen des Darmgewebes. Für Infektionsstudien mit dem humanpathogenen Erreger Entamoba histolytica sind sie jedoch nur eingeschränkt geeignet, da die luminale Seite - der natürliche Ort der Invasion des Parasiten - nur schwer zugänglich ist. Um dennoch die zelluläre Komplexität der Organoide zu nutzen, verwenden wir in unserem Labor fragmentierte Darmsphäroide, die als Monolayer kultiviert und differenziert werden.
Das aus Darmsphäroiden erzeugte Monolayer-Modell dient der Untersuchung der Interaktion des Parasiten mit den Darmzellen. Zukünftig können dem System Immunzellen und ein Mikrobiom hinzugefügt werden.
Funding: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Influenza
Organoidbasiertes Infektionsmodell zur Analyse interorganischer Immunreaktionen
In diesem Projekt werden humane pluripotente Stammzellen (iPS-Zellen) zu funktionellen Lungen- und Leberorganoiden differenziert, indem definierte Kulturprotokolle angewendet werden, die durch den Einsatz stadiumspezifischer Wachstumsfaktoren, extrazellulärer Matrixkomponenten und kontrollierter Umgebungsbedingungen wichtige Entwicklungssignale nachahmen. Diese Organoide werden in ein sogenanntes Multi-Organ-Chip-System eingebracht – ein Plattformsystem, in dem die Organoide über mikrofluidische Kanäle dauerhaft miteinander verbunden sind. Dies ermöglicht die Kommunikation zwischen den Organoiden über lösliche Mediatoren, die als Reaktion auf eine Infektion freigesetzt werden.
Das primäre Ziel dieses Modells ist es, das Lungenorganoid mit Influenzaviren zu infizieren, um eine lokale Immunantwort auszulösen und zu untersuchen, wie diese Reaktion über das gemeinsame Kreislaufsystem des Chips auf das Leberorganoid wirkt.
Funding: Leibniz Center for Infection Graduate School
Leishmaniose
Organoide als Wirtsmodelle für parasitäre Infektionen
Parasitäre Infektionen der Leber sind Gegenstand umfangreicher Forschungsprojekte, doch ein Großteil der gewonnenen Erkenntnisse basiert auf der Verwendung von Mausmodellen. Die Vor- und Nachteile dieser Modelle sind seit langem bekannt. Als Alternative nutzen wir für unsere Forschungsarbeit Leberorganoide.
Dabei handelt es sich um In-vitro-Kulturen, die die langfristige Kultivierung humaner Leberzellen in einem 3D-Gefüge ermöglichen. Auf diese Weise lassen sich sowohl funktionelle als auch strukturelle Eigenschaften der Leber im Miniaturformat nachbilden. Die benötigten Leberzellen können aus überschüssigem Gewebe von Biopsien oder Tumorresektionen gewonnen werden.
Wir nutzen die Leberorganoide, um parasitäre Infektionen unter Verwendung menschlicher Zellen zu modellieren und die Interaktion mit Immunzellen in Form von Co-Kulturen.
Funding: Leibniz Center for Infection Graduate School
