Miniorgane mit grossem Potenzial

Neben ihrer Arbeit zu Unregelm?ssigkeiten in der Gehirnentwicklung arbeitet Treutleins Labor auch am Humanen Zellatlas mit. Das ist ein Referenzatlas, der dereinst alle Zelltypen des menschlichen K?rpers w?hrend der Entwicklung und im Erwachsenenalter beschreiben soll. Forschende rund um den Globus arbeiten unerm¨¹dlich daran. Treutleins Forschungsgruppe steuert vor allem Daten zur Charakterisierung von Zellen des Nervensystems bei. Bei den Experimenten analysieren die Forschenden pro Zelle mehr als 20000 Gene und dies bei Tausenden von Zellen. Um die Unmengen an Daten zu bew?ltigen, arbeiten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler mit maschinellem Lernen. ?Die Algorithmen erkennen Muster im Datenmeer?, sagt Treutlein. Die so gewonnenen Daten fliessen in den Referenzatlas ein und k?nnen von Forschenden weltweit f¨¹r ihre Experimente herbeigezogen werden.

Mit Zellen von Patient:innen

Ein Teil der Organoide in Treutleins Labor stammt von embryonalen Stammzellen ab, die seit Jahrzehnten international als Zelllinien gehalten werden. Weil diese ganz am Anfang der menschlichen Entwicklung stehen, lassen sie sich ¨C abh?ngig von der Umgebung ¨C zu allen Zelltypen entwickeln und damit zu jedem Organoid.

Die Forschungsgruppe generiert aber auch selber Stammzellen aus adultem Gewebe. Diese induzierten Stammzellen stammen von K?rperzellen ab, also zum Beispiel von Hautzellen oder weissen Blutk?rperchen. Mit entsprechenden Faktoren, die in die Zellen geschleust werden, wandeln sich diese K?rperzellen in Stammzellen zur¨¹ck, aus denen ein neues Organoid entstehen kann. ?Das Spannende an diesem Ansatz ist, dass wir Zellen von Patientinnen und Patienten isolieren k?nnen, daraus Stammzellen gewinnen und schliesslich ein Organoid generieren k?nnen?, sagt Treutlein. ?Dies widerspiegelt die Organentwicklung jedes einzelnen Patienten.? So k?nnen die Forschenden die Entstehung von Krankheiten in der Petrischale nachahmen und versuchen, mechanistisch zu verstehen.

Eine solche Krankheit, die im Moment eine Doktorandin aus Treutleins Forschungsgruppe untersucht, ist die periventrikul?re Heterotopie. Bei dieser Krankheit des Grosshirns verfehlen die Nervenzellen w?hrend der Entwicklung den richtigen Weg. Epilepsie kann eine Folge davon sein. Bekannt ist, dass 21 Gene involviert sind. Wenn die Wissenschaftlerinnen diese Gene im Hirn-Organoid ausschalten, kommt es zu einem Ungleichgewicht der verschiedenen Zelltypen. Noch sind dies die vorl?ufigen Erkenntnisse erster Experimente. ?Wenn wir die Mechanismen aber besser verstehen, kann dies die Grundlage f¨¹r die Entwicklung von Therapien sein?, sagt Treutlein.

Mehr als ein Zelltyp

Kaum eine Behandlungsm?glichkeit gibt es heute gegen bestimmte Arten von Bauchspeicheldr¨¹senkrebs. In einem gemeinsamen Projekt mit dem Institute of Human Biology (IHB) von Roche mit Sitz in Basel arbeitet die ETH-Professorin an Organoiden, die auf Krebszellen basieren, die bei Patientinnen und Patienten bei einer Biopsie gewonnen wurden. Mit diesen sogenannten Tumoroiden k?nnen die Forschenden eine Reihe an Medikamenten und ihre Wirkung testen. Bei Bauchspeicheldr¨¹senkrebs geht es darum, ¨¹berhaupt eine Behandlungsm?glichkeit zu finden. Bei anderen Krebsarten steht die personalisierte Medizin im Zentrum: Welches Medikament wirkt bei diesem Individuum am effizientesten, um die Krebszellen abzut?ten? Bei einem solchen Drug Screening werden aus einer Biopsie mehrere Tumoroide hergestellt, um an ihnen verschiedene Medikamente testen zu k?nnen.

Das Besondere an den Tumoroiden, mit denen Treutlein und das IHB von Roche arbeiten, ist die Zusammensetzung: Sie enthalten nicht nur Krebszellen. Das IHB hat ein Tumoroidmodell entwickelt, das aus drei verschiedenen Zelltypen besteht. Neben den Krebszellen enth?lt es auch Bindegewebszellen und Endothelzellen. ?Die Experimente zeigen, dass dieses komplexe Tumoroid ganz anders auf Medikamente reagiert als ein traditionelles Tumoroid, bei dem die Krebszellen allein kultiviert werden?, sagt Treutlein. Der n?chste Schritt ist nun, das komplexe Tumoroid zus?tzlich mit Immunzellen anzureichern.

Treutleins Forschungsgruppe hat die einzelnen Zellen der Tumoroide analysiert. Im Gegensatz zur Analyse mit dem Mikroskop, die die pauschale Aussage erlaubt, ob Krebsgewebe abstirbt oder nicht, erlaubt Treutleins Einzelzelltechnologie eine viel genauere Aussage. ?Organoide sind komplexe Strukturen?, sagt die Chemikerin. ?Deshalb ist es wichtig, sie detailliert zu analysieren.? Die Analyse von Genen und Proteinen auf Ebene von einzelnen Zellen erlaubt den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern abzulesen, wie effizient eine Krebsbehandlung im Tumoroid anschl?gt.

?Dieses Projekt zeigt exemplarisch, wie wertvoll die Zusammenarbeit mit dem IHB von Roche f¨¹r uns ist?, sagt Treutlein. Dem stimmt auch Matthias L¨¹tolf, Direktor des IHB und Professor f¨¹r Bioengineering an der ETH Lausanne, zu: ?Als eine der weltweit f¨¹hrenden Hochschulen ist die ETH Z¨¹rich eine ideale Partnerin f¨¹r das IHB. Die Qualit?t der Doktorierenden und Forschenden an der ETH spricht f¨¹r sich und ist f¨¹r den Erfolg der gemeinsamen Forschungsaktivit?ten entscheidend.? F¨¹r Barbara Treutlein macht vor allem die unterschiedliche Ausrichtung von Hochschule und Pharmaindustrie den Erfolg aus. ?Wir als Universit?t k?nnen eher langfristige und damit auch risikoreiche Projekte eingehen. An der Industrie sch?tzen wir den Praxisbezug mit seinen m?glichen Anwendungen.?

In der Lehre haben die ETH Z¨¹rich und Roche ein gemeinsames Doktorandenprogramm lanciert. In Treutleins Labor wird bald ein Doktorand vom IHB arbeiten. Dass die ETH Z¨¹rich mit ihrem Departement Biosysteme in Basel vor Ort zu Hause ist, sch?tzen beide Forschenden als grossen Vorteil ein. ?Unsere gemeinsamen Studierenden sollten freien Zugang zu den Labors beider Partner haben und in der Lage sein, in k¨¹rzester Zeit von einer Einrichtung zur anderen zu wechseln?, sagt L¨¹tolf. ?Ich bin ¨¹berzeugt, dass erfolgreiche Forschung einen pers?nlichen Austausch erfordert.?