Organoide als Modell für Rückenmarksverletzungen

Do, 22.04.2021 — Ricki Lewis

Wissenschafter der Northwestern University haben das bisher am weitesten fortgeschrittene Organoidmodell für menschliche Rückenmarksverletzungen entwickelt: Rückenmark-Organoide. Hergestellt aus humanen pluripotenten Stammzellen enthalten diese miniaturisierten Organe Neuronen, Astrozyten und Mikroglia (Immunzellen im ZNS) und bilden eine strukturierte Architektur von Nervengewebe. Die Genetikerin Ricki Lewis beschreibt eine eben erschienene Studie dieser Forschergruppe, die diese Organoide einsetzte, um relevante Arten von Rückenmarksverletzungen zu modellieren und eine aussichtsreiche, im Tierversuch zuvor erfolgreiche Peptid-Nanotherapie zu testen.*

Ein Bindeglied zwischen Tiermodellen und klinischen Tests

Organoide sind wunderbare Werkzeuge, um biologische Prozesse zu untersuchen und neue Behandlungen zu testen. Induzierte pluripotente Stammzellen (iPS) werden aus den Fiboblasten der Haut eines Patienten gezüchtet und bieten eine Plattform, um individuelle Behandlungsarten zu testen. Und iPS-Zellen stehen dem Menschen viel näher als Tiermodelle wie die Fruchtfliege, ein Wurm, ein Zebrafisch, ein Nagetier oder sogar Primaten.

Organoide sind keine hundertprozentigen Nachbildungen von Organen, sondern ahmen nach, wie sich Zellen zu Geweben eines bestimmten Organs zusammensetzen und wie diese Gewebe miteinander interagieren. Sie stellen eine immer wichtiger werdende Zwischenstufe zwischen dem Testen einer Behandlungsart im Tiermodell und in klinischen Studien am Menschen dar, sparen Zeit und Kosten und und führen zu höherer Sicherheit und Wirksamkeit.

Der jüngste Bericht über ein neues Organoid, das mir in die Augen sprang, betrifft ein menschliches Rückenmark im Miniatur-Format, das Forscher der Northwestern University (Illinois, USA) entwickelten, um verschiedene Arten von Verletzungen zu modellieren und regenerative Behandlungen zu testen (Takata et al., 2026). Wie ein Rückenmark im Körper zeigen diese kleinen Menschen-basierten Stückchen Entzündungen, Zelltod und das Verklumpen von Gliazellen zu undurchdringlichen, narbenartigen Massen, welche die Nervenheilung und -regeneration behindern können.

Zu den Zellen des Nervensystems gehören Neuronen und verschiedene Arten von Gliazellen, die unterstützende Funktion und biochemische Nährstoffe bereitstellen. Das Axon eines Neurons überträgt elektrochemische Informationen, die von Dendriten empfangen werden. Axone und Dendriten werden zusammen als Neuriten bezeichnet.

Die menschlichen Rückenmark-Organoide haben einen Durchmesser von nur wenigen Millimetern. Die Ergebnisse der neuen Studie unter Leitung von Samuel Stupp sind am 12. Feber in Nature Biomedical Engineering (leider hinter einer Bezahlschranke) erschienen und aktualisieren Arbeiten an Mäusen, die 2021 in Science veröffentlicht wurden.

„Tanzende Moleküle“

Biotechnologische Fortschritte sind für Menschen ohne molekularbiologische Kenntnisse leichter verständlich, wenn sie attraktive Namen tragen – wie Klonieren oder CRISPR. Rückenmark-Organoide werden mit dem, was die Forscher "tanzende Moleküle" nennen, in Form gebracht. Dabei handelt es sich um künstlich hergestellte Peptide – Aminosäureketten, die nicht lang genug sind, um als Proteine zu gelten. Ich finde diesen Begriff etwas anthropomorph und zu stark vereinfachend, er wird aber in der Öffentlichkeitsarbeit für diese Forschung häufig verwendet.

Die Forscher haben zwei Arten von Peptiden getestet. Jede enthält eine Sequenz von Aminosäuren die als Signalsequenz fungiert und die Peptide zu bestimmten Teilen der Zelle leitet. Diese Strategie nutzt mehr als 100.000 Peptide, deren molekulare Bewegungen dann Zellrezeptoren auf eine Weise aktivieren, dass natürliche Signale zur Regeneration und Reparatur des Gewebes stimuliert werden. Das in Form eines Gels eingebrachte Material ahmt die extrazelluläre Matrix des Rückenmarks nach, ein komplexes, dichtes Netzwerk aus Kollagen- und Elastin-Nanofasern, das einen Großteil des Raums zwischen den Zellen im Organ einnimmt. Die Forscher bezeichnen ihr Werkzeug als „Plattform supramolekularer therapeutischer Peptide“ oder STPs. Tanzende Moleküle sind also doch ein einprägsamerer Begriff.

Wie auch immer die Peptide bezeichnet werden, sie wirken als Gerüste, die Neuronen physisch dazu instruieren, Neuriten auszubilden. Ein Peptid-Typ reduziert die Glia-Narbenbildung, während der andere neue Blutgefäße bildet – eine für die Therapie logische Kombination.

Bahnbrechende Experimente an Maus-Organoiden und lebenden Mäusen

Experimente aus dem Jahr 2001 an Mäusen mit einer Verletzung, die einer Lähmung des menschlichen Rückenmarks entspricht, haben gezeigt, dass die Peptide bewegliche Fibrillen bilden. Ihre schnelle Bewegung verlängert die Axone, bildet eine neue Myelinscheide und lockt die Blutversorgung an, was allesamt das Überleben der Motoneuronen fördert, welche die Muskeln innervieren.

Die Forscher verletzten die Mausorganoide auf zwei Arten – durch einen geraden Schnitt, um eine Schnittwunde nachzuahmen, und durch Kompression, um eine Schädigung durch Druck oder starke Quetschung nachzuahmen, wie sie beim Menschen bei Stürzen oder Verkehrsunfällen auftreten können. Die Verletzungen führten zum Absterben der Neuronen, während die Gliazellen Narben-ähnliche Gewebe bildeten.

Verwundete Mäuse, denen 24 Stunden nach der Verletzung eine einzige Injektion der tanzenden Peptide verabreicht wurde, konnten innerhalb von vier Wochen wieder laufen. Als die Forscher die Experimente mit Peptiden wiederholten, die mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten tanzten, funktionierten die schnelleren besser. Als die Entzündung abklang und die Narben zurückgingen, verlängerten sich die Neuriten, während das Gewebe heilte.

Weiter zu menschlichen Organoiden

Die sich bewegenden Fibrillen in den menschlichen Rückenmark-Organoiden spiegelten die Aktivität bei Mäusen wider – die Neuronen dehnten sich aus, während die Narben innerhalb weniger Monate zurückgingen. Hinzu kamen Mikroglia, die zu den Immunzellen im Gehirn und Rückenmark gehören. Sie unterdrücken Entzündungen.

Rückemnmark-Organoide: Die winzigen Teile des menschlichen Rückenmarks dienen als Modelle für die Erprobung von Behandlungsmethoden bei Verletzungen. Das Organoid auf der linken Seite weist nach der Behandlung mit rasch beweglichen Peptiden, die Forscher als „tanzende Moleküle” bezeichnen, winzige Nervenzellauswüchse auf, nicht aber das Organoid rechts, das mit langsam sich bewegenden Peptiden behandelt wurde. Diese winzigen Teile des menschlichen Rückenmarks dienen als Modelle für die Erprobung von Behandlungsmethoden für Verletzungen. (Bildnachweis: Samuel I. Stupp/Northwestern University)

Stupp beschreibt den Erfolg: „Die Glia-Narbe verblasste deutlich und war kaum noch zu erkennen, und wir sahen Neuriten wachsen, ähnlich wie bei der Axon-Regeneration, die wir bei Tieren beobachtet haben. Dies ist eine Bestätigung dafür, dass unsere Therapie gute Chancen hat, auch beim Menschen zu wirken. Einer der spannendsten Aspekte von Organoiden ist, dass wir sie nutzen können, um neue Therapien an menschlichem Gewebe zu testen. Abgesehen von einer klinischen Studie ist dies die einzige Möglichkeit, dieses Ziel zu erreichen.“

Die menschlichen Organoide haben auch die Ergebnisse aus Mausversuchen bestätigt, wonach die molekulare Bewegung entscheidend ist. Das Team testete dies zunächst an einem gesunden Organoid.

„Die tanzenden Moleküle führten zum Auswachsen all der langen Neuriten auf der Oberfläche des Organoids, als wir aber Moleküle mit geringerer oder gar keiner Beweglichkeit verwendeten, sahen wir nichts“, sagt Stupp. „Rezeptoren in Neuronen und anderen Zellen sind in ständiger Bewegung. Die entscheidende Innovation unserer Forschung besteht darin, die kollektive Bewegung von mehr als 100.000 Molekülen innerhalb unserer Nanofasern zu steuern. Indem wir die Moleküle dazu bringen, sich zu bewegen, zu ‚tanzen‘ oder sogar vorübergehend aus diesen Strukturen herauszuspringen, können sie sich effektiver mit Rezeptoren verbinden“, fügt er hinzu.

Die FDA hat eine Orphan-Drug-Designation für die weitere Entwicklung erteilt

(Search Orphan Drug Designations and Approvals

FGFR and ITGB1 agonist peptide amphiphile scaffold
Date Designated:	07/14/2025
Orphan Designation:	treatment of acute spinal cord injury

Könnte die Strategie der tanzenden Moleküle, die Rückenmarksverletzungen repariert, eines Tages auch zur Heilung neurodegenerativer Erkrankungen wie ALS, Parkinson, Schlaganfall und Alzheimer beitragen? Bleiben Sie dran.

Takata, N., Li, Z., Metlushko, A. et al. Injury and therapy in a human spinal cord organoid. Nat. Biomed. Eng (2026). https://doi.org/10.1038/s41551-025-01606-2

Der Artikel ist erstmals am 19. Feber 2026 in PLOS Blogs - DNA Science Blog unter dem Titel " Organoids Model Spinal Cord Injuries - DNA Science" erschienen und steht unter einer cc-by Lizenz . Die Autorin hat sich freundlicherweise mit der Übersetzung ihrer Artikel durch ScienceBlog.at einverstanden erklärt, welche - mit Ausnahme des Abstracts - so genau wie möglich der englischen Fassung folgen.

Mitteilung der Northwestern University: Paralysis treatment heals lab-grown human spinal cord organoids - Northwestern Now