Das Forschungsteam unter der Leitung von Professor Sato an der Keio University hat eine neuartige Technologie entwickelt, die potenzielle Anwendungen in der Lebererkrankungsforschung, der Arzneimittelbewertung und der Zelltransplantation hat. Letztlich zeigen diese Fortschritte, dass die Leberforschung in eine transformative neue Ära eintritt.

Die Leber ist ein multifunktionales Organ, das für das Überleben unerlässlich ist; sie verstoffwechselt Kohlenhydrate, Lipide und Proteine, entgiftet Medikamente und synthetisiert sowie sezerniert Gallensäuren. Allerdings ist es schwierig, primäre humane Hepatozyten in einer Langzeitkultur ex vivo zu erhalten, was ihren Einsatz in der Arzneimittelentwicklung und der Krankheitsforschung einschränkt.

Um diese Einschränkungen zu überwinden, entwickelte ein Forschungsteam unter der Leitung von Professor Toshiro Sato von der Abteilung für Biochemie, Keio Universität School of Medicine, eine Hepatozyten-Organoid-Technologie, die eine Langzeitkultur unter Erhaltung hepatzellulärer Funktionen ermöglicht. Mit diesem Ansatz entwickelte das Team erfolgreich ein Funktionsmodell, das zentrale Leberfunktionen wie Arzneimittelstoffwechsel, Gallensäuresynthese und den Harnstoffzyklus nachbildet.

Diese Erkenntnisse werden voraussichtlich vielfältig eingesetzt, unter anderem für Toxizitätstests bei der Arzneimittelentwicklung, zur Aufklärung der Pathophysiologie steatotischer Lebererkrankungen und zur Förderung der regenerativen Medizin durch Zelltransplantation.

Über die Forschenden

Dr. Toshiro Sato

Professor, Abteilung für Integrierte Medizin und Biochemie, Medizinische Fakultät der Keio University

Professor Sato hat maßgeblich zur Organoidforschung in verschiedenen Organen, darunter Darm, Leber und Pankreas, beigetragen und beschäftigt sich mit der Entwicklung von Technologien zur Rekonstruktion funktioneller Gewebe aus Gewebestammzellen. Er ist Projektleiter mehrerer Forschungsprogramme, darunter das Japan Science and Technology Agency (JST) ERATO Sato Organoid Design Project, und leitet die Organoidforschung sowohl national als auch international.

Dr. Ryo Igarashi
Projekt-Assistenzprofessor, Abteilung für Integrative Medizin und Biochemie, Medizinische Fakultät der Keio University

Dr. Igarashi spezialisiert sich auf Hepatozyten-Organoidkulturtechnologien und funktionelle Analysen und ist mit dem Aufbau von Lebererkrankungsmodellen sowie der Bewertung von Arzneimittelantworten beschäftigt.

Auf welche Bereiche der Organoidforschung konzentrieren Sie sich derzeit?

Professor Sato: Wir arbeiten derzeit an der Entwicklung funktionaler Organoide, die mithilfe von aus menschlichen Zellen gewonnenen Organoiden nicht nur die Morphologie von Organen, sondern auch deren Funktionen rekonstruieren. Insbesondere zielt das JST ERATO Sato Organoid Design Project darauf ab, Netzwerke, die die physiologische Homöostase regulieren, aus Gewebestammzellen zu rekonstruieren. Wir fördern zudem die Entwicklung von Organoiden mit komplexen Funktionen wie Absorption, Stoffwechsel, Sekretion und Signalübertragung in Organen wie Leber, Darm und Bauchspeicheldrüse.

Wie wurden funktionale Hepatozyten-Organoide entwickelt, um wichtige Leberfunktionen in vitro nachzubilden?

Professor Sato: Die Leber erfüllt viele lebenswichtige Funktionen, wie den Stoffwechsel von Kohlenhydraten, Lipiden und Proteinen, das Entgiften von Arzneimitteln und die Synthese von Gallensäuren. Wenn in vitro-Modelle verfügbar wären, die diese Funktionen reproduzieren können, würde dies die Arzneimittelforschung, Toxizitätsbewertung und Untersuchung von Krankheitsmechanismen erheblich erleichtern.

Konventionelle primäre humane Hepatozyten (PHHs) verlieren nach ihrer Isolierung rasch ihre Funktionalität, wodurch sie für die Langzeitkultur und genetische Manipulation ungeeignet sind. Um dieser Einschränkung zu begegnen, verwendeten wir PHHs als Ausgangsmaterial, um proliferative Hepatozyten-Organoide zu erzeugen, auch bekannt als expandierende humane Hepatozyten-Organoide (eHHOs). Durch nachfolgende Differenzierungsinduktion entwickelten wir differenzierte humane Hepatozyten-Organoide (dHHOs), die eine verstärkte Expression arzneimittelmetabolisierender Enzyme, Harnstoffzyklus-Enzyme und gallensäuresynthetisierender Enzyme aufweisen.

Diese Forschung, die im Rahmen des JST ERATO-Projekts durchgeführt wird, zielt darauf ab, Organoide nicht nur als „Mini-Organe“, sondern als „funktionelle Modelle“ zu etablieren, die intrinsische Organfunktionen in vitro reproduzieren. Für die Leber ist es besonders wichtig, Modelle zu entwickeln, die in vivo Strukturen und Funktionen wie Leberzonierung² und Gallenkanälchenstrukturen, die für die Gallenausscheidung verantwortlich sind, abbilden. Der aktuelle Erfolg stellt einen bedeutenden Schritt nach vorne in diese Richtung dar.

Dr. Igarashi: PHHs sind sehr wertvoll, aber ihre Verwendung ist aufgrund von Schwankungen in Lebensfähigkeit und Funktion eingeschränkt. Mit der aktuellen Technologie gelang es uns, eine stabile Kultur von aus PHHs gewonnenen eHHOs über mehr als 100 Tage zu erzielen, mit einer mehr als millionenfachen Vermehrung. Durch Differenzierungsinduktion gelang es uns, vielfältige hepatozelluläre Funktionen in vitro auf einem Niveau nachzubilden, das den in vivo beobachteten entspricht. Diese Organoide eignen sich zudem als Modelle für steatotische Lebererkrankungen und angeborene Stoffwechselstörungen, wobei Merkmale wie die Akkumulation von Lipidtröpfchen³ und Arzneimittelreaktionen erfasst werden. Sie haben das Potenzial, die Reproduzierbarkeit von Krankheiten deutlich zu verbessern und die Genauigkeit der Arzneimittelbewertung zu erhöhen.

² Zonierung: Die Hepatozyten im Lebergewebe sind nicht homogen; die Leber besteht aus zahlreichen Läppchenstrukturen, wobei bestimmten Regionen unterschiedliche Stoffwechselfunktionen zugeordnet sind. Diese Organisation, bekannt als Zonierung, führt zu regional regulierten Aktivitäten wie Glukoneogenese, Harnstoffzyklus und Arzneimittelmetabolismus.

³ Lipidtröpfchen: Kleine, kugelförmige Strukturen, die hauptsächlich aus neutralen Lipiden bestehen und sich in den Zellen ansammeln. In Hepatozyten stellt die Ansammlung von Lipidtröpfchen ein Schlüsselmerkmal steatotischer Lebererkrankungen dar und ist somit ein entscheidender Parameter für das Monitoring in Organoid-Modellen.

Wie unterstützt moderne Bildgebungstechnologie die Visualisierung und Analyse der Struktur und Funktion von Organoiden?

Professor Sato: Hepatozyten-Organoide sind relativ dick, was die Beobachtung innerer Strukturen erschweren kann. Die in das APEXVIEW™ APX100 Tischfluoreszenzmikroskop integrierte Gradientenkontrastmethode überwindet diese Einschränkung und ermöglicht eine klare Visualisierung feinster Details von Lipidtröpfchen (Abbildung 1a). Insbesondere bei der Bewertung steatotischer Lebererkrankungsmodelle stellt die Fähigkeit, sowohl die Ansammlung als auch die räumliche Verteilung dieser Tröpfchen sichtbar zu machen, ein entscheidendes Kriterium für die Validierung der Reproduzierbarkeit der Krankheitsmodelle dar.

Die Gradientenkontrastmethode erzeugt kontrastreiche Bilder auch in Standard-Kunststoffkulturbehältnissen und ermöglicht so eine qualitativ hochwertige Beobachtung, ohne die routinemäßigen Kulturbedingungen zu verändern. Zusätzlich unterstützt das System Objektive mit langem Arbeitsabstand, wodurch eine präzise Abbildung von Organoiden ermöglicht wird, die sich in erhöhten Positionen im Matrigel befinden (Abbildung 1b). Die Möglichkeit, den Status der Organoide direkt während der täglichen Kultur zu überwachen, ohne spezielle Behältnisse oder Vorbereitungen, bietet erhebliche Vorteile für die Forschungseffizienz und Reproduzierbarkeit.

Dr. Igarashi: Für die Fluoreszenzbildgebung oder die quantitative Datenerfassung ist die effiziente Gewinnung zuverlässiger Daten von entscheidender Bedeutung. Der APX100 kann bis zu drei Objektträgerproben gleichzeitig aufnehmen, was eine schnelle Lokalisierung auf Makroebene und eine intuitive Bedienung über den „Process Manager“ ermöglicht, der die Erfassung zusammengesetzter Bilder erleichtert. Die Fähigkeit zur hochauflösenden, großflächigen Bildgebung in kurzer Zeit ermöglicht eine konsistente Beurteilung sowohl der gesamten Gewebearchitektur als auch lokaler Strukturen.

In dieser Studie zeigten mit dem APX100 aufgenommene Bilder deutlich, dass in die Leber von Mäusen transplantierte humane Hepatozyten-Organoide differenzierten und die Zonierungsstruktur der Leber reproduzierten, wobei metabolische Funktionen von der Portalvene⁴ bis zur Zentralvene⁵ verteilt waren (Abbildung 2).

Durch die Kombination hochpräziser Bildaufnahme mit effizienter Bedienung ist der APX100 ein leistungsstarkes Werkzeug zur Rationalisierung der täglichen Forschungstätigkeiten.

⁴ Pfortader: Die Pfortader ist eine Schlüsselstruktur innerhalb des Leberläppchens und transportiert Nährstoffe, die aus dem Verdauungstrakt, insbesondere dem Darm, aufgenommen werden, zur Leber. Hepatozyten, die die Pfortader umgeben, übernehmen Aufgaben des Nährstoffwechsels, wie Gluconeogenese und Ammoniakentgiftung.

⁵ Zentralvene: Eine Struktur im Leberläppchen, die das von den Hepatozyten verarbeitete Blut sammelt und in den systemischen Kreislauf abführt. Hepatozyten, die die Zentralvene umgeben, führen Funktionen wie Arzneimittelstoffwechsel und Lipidstoffwechsel aus.

⁶ STEM121: Ein Antikörper, der ein Antigen erkennt, das spezifisch in menschlichen Zellen exprimiert wird, und als Marker zur Identifizierung menschlicher Zellen dient, die in Mausgewebe transplantiert wurden.

⁷ HAL (Histidin-Ammoniak-Lyase): Ein Enzym, das in den Hepatozyten rund um die Pfortader stark exprimiert wird. Es spielt eine Schlüsselrolle im Aminosäurestoffwechsel und in der Gluconeogenese und dient als funktioneller Marker für die Nährstoffstoffwechselaktivität der Leber.

⁸ CYP2E1 (Cytochrom P450 2E1): Ein Xenobiotika-metabolisierendes Enzym, das in den die Zentralvene umgebenden Hepatozyten stark exprimiert wird. Es ist am Xenobiotika-Stoffwechsel und an der Lipidverarbeitung beteiligt und dient als wichtiger Marker für die funktionelle Zonierung und Differenzierung der Leber.

Wie sehen Sie die zukünftige Entwicklung Ihrer Forschung im Bereich der Organoidtechnologie?

Professor Sato: Mit Blick auf die Zukunft streben wir die Entwicklung präziserer Krankheitsmodelle mithilfe von Hepatozyten-Organoiden mit krankheitsspezifischen genetischen Mutationen an, um die Anwendung in der Arzneimittelforschung und der regenerativen Medizin als Alternative zu Tierversuchen zu beschleunigen. Insbesondere wird erwartet, dass die Organoidtechnologie eine zunehmend wichtige Rolle als neuartiger Therapieansatz für Leberversagen und erbliche Lebererkrankungen spielt.

In diesem Zusammenhang müssen bildgebende Systeme hohe optische Leistung mit anwenderfreundlicher, intuitiver Bedienung verbinden. Da unser Labor eine große Anzahl von Studenten beherbergt, ist die Benutzerfreundlichkeit ein Hauptfaktor, der unsere gesamte Forschungseffizienz beeinflusst. Wir gehen davon aus, dass sich Bildgebungssysteme weiterhin zu einer unverzichtbaren Infrastruktur entwickeln werden, die es Forschern ermöglicht, qualitativ hochwertige Daten schneller und konsistenter zu erfassen.

Bevorzugte Bildgebungsfunktionen für die Organoidforschung

2. Hohe Vielseitigkeit und Kompatibilität mit Kunststoffbehältnissen

Die DIC-Bildgebung basiert auf polarisiertem Licht, das durch die inhärente Doppelbrechung von Kunststoffbehältnissen verzerrt wird, was eine präzise Beobachtung erschwert.

Im Gegensatz dazu verwendet die Gradientenkontrast-Bildgebung kein polarisiertes Licht, was eine stabile Bildgebung in Kunststoffbehältnissen und eine flexible Anwendung für die routinemäßige Überwachung des Zellzustands ermöglicht.

In Kombination mit Objektiven mit großem Arbeitsabstand, wie der LUCPLFLN-Serie, ermöglicht die Gradientenkontrast-Bildgebung die Untersuchung dicker Proben oder Behältnisse mit erhöhtem Boden und unterstützt die Beobachtung ohne Einschränkungen hinsichtlich Probentyp oder Behältnis. Diese Fähigkeit ermöglicht ein breites Anwendungsspektrum (siehe Beispiel von Keio University): Abbildung 1(b)).

Literaturnachweise

Für detaillierte Informationen zu dieser Studie verweisen wir auf die folgende Publikation:

Igarashi, R., Oda, M., Okada, R., Yano, T., Takahashi, S., Pastuhov, S., Matano, M., Masuda, N., Togasaki, K., Ohta, Y., Sato, S., Hishiki, T., Suematsu, M., Itoh, M., Fujii, M., and Sato, T. 2025. „Generation of Human Adult Hepatocyte Organoids with Metabolic Functions.“ Nature.

Haftungsausschluss: Die in diesem Interview geäußerten Meinungen und Aussagen stammen von dem jeweiligen Forscher und spiegeln nicht unbedingt die Ansichten oder Behauptungen von Evident wider. Die genannten Produkte und Technologien sind ausschließlich für Forschungszwecke bestimmt und nicht für klinische oder diagnostische Anwendungen konzipiert.