Für unsere Publikation Wegweiser Tierversuchsfreie Wissenschaft haben wir mit Prof. Hans Schöler über tierversuchsfreie Methoden in der Hirnforschung, insbesondere über Organoide, gesprochen.

Herr Professor Schöler, können Sie unseren Leser*innen einen kurzen Überblick über Ihre Forschung geben? 

Prof. Hans Schöler: Als Entwicklungsbiologe und Stammzellforscher habe ich mich schon immer für die Zellprozesse der frühen Entwicklung interessiert. Lange Zeit schien die biologische Entwicklung wie eine Einbahnstraße zu sein: hat eine Zelle einmal eine Richtung eingeschlagen, gab es keinen Weg zurück. Nur Keimzellen bildeten eine Ausnahme, denn aus ihnen kann ein neuer Organismus entstehen, wenn Ei- und Samenzellen zusammengebracht werden. Diese Eigenschaft von Keimzellen und frühen embryonalen Zellen hat mich immer fasziniert. 

Als es gelang, embryonale Stammzellen – die Alleskönner unter den Stammzellen, in der Petrischale zu isolieren, schienen sie eine geeignete Quelle für Zellersatztherapien zu sein und standen deshalb lange im Mittelpunkt der Forschung. Doch so einfach war das nicht: embryonale Stammzellen können zwar alle Zellarten des Körpers bilden, aber nicht mit der für Therapien erforderlichen Zuverlässigkeit. Darüber hinaus halten viele Menschen embryonale Stammzellen für ethisch problematisch. 

Anfang der 2000er Jahre entwickelten japanische Wissenschaftler eine Methode, mit der sie in ausgereiften Körperzellen die Alleskönnerfähigkeit von embryonalen Stammzellen induzieren konnten. Diese Reprogrammierungs-Technologie ist eine ethisch unbedenkliche Alternative zu embryonalen Stammzellen und ermöglichte auf einen Schlag eine neuartige Erforschung von Krankheiten und Medikamenten. Mein Forschungsgebiet hat sich durch diese Entdeckung enorm erweitert. 

In den letzten Jahren haben wir zunehmend menschliche Zellen und Stammzellen verwendet, um die molekularen Vorgänge bei der Reprogrammierung von Zellen zu untersuchen und um menschliche Krankheiten zu modellieren und zu verstehen. 

In zahlreichen Publikationen konnten wir zeigen, wie Säugerzellen in der Kulturschale in Stammzellen umgewandelt werden, entweder in Alleskönnerzellen, pluripotente Stammzellen genannt, oder in multipotente gewebespezifische Stammzellen. 

Bei der In-vivo-Umprogrammierung sollen gewebeeigene Körperzellen in multipotente gewebespezifische Stammzellen umgewandelt werden, die in der Lage sind, durch Verletzungen oder Alterung geschädigtes Gewebe zu reparieren, wodurch sich ein neuer therapeutischer Weg eröffnet. Dieser Prozess wäre mit der normalen Gewebereparatur in erwachsenen Organen vergleichbar, und wir postulieren, dass er auch in Organen ausgelöst werden kann, die nicht über die natürliche Fähigkeit zur Selbstreparatur verfügen, wie z. B. dem Gehirn. Aus offensichtlichen Gründen ist es nicht möglich, die Reprogrammierung von Zellen in situ, also im Gehirn eines Patienten, durchzuführen und zu untersuchen. 

Um die unüberbrückbare Kluft zwischen der derzeitigen In-vitro- und In-vivo- Forschung an menschlichem Gewebe zu überbrücken, haben wir die Reprogrammierungstechnologie eingesetzt, um zunächst pluripotente Stammzellen aus menschlichen Zellen herzustellen und daraus Organoide. Dabei handelt es sich um dreidimensionale Gewebeanordnungen von mehreren Millimetern Größe, die ein Modell des menschlichen Gewebes darstellen. Wir haben ein Hochdurchsatz-Verfahren mit einer neuartigen Plattform-Screening-Technologie entwickelt, mit dem wir zigtausende Substanzen untersuchen können. Damit verfolgen wir hauptsächlich zwei Forschungslinien: Zum einen versuchen wir, gewebespezifische Stammzellen in den Organoiden zu induzieren, mit dem Ziel Substanzen zu finden, die dazu beitragen, geschädigtes oder alterndes menschliches Gewebe und Organe aus sich selbst heraus zu reparieren. 

Zum anderen haben wir die Organoide eingesetzt, um die Parkinson-Krankheit besser zu verstehen und möglicherweise zu behandeln. Im Zentrum der Parkinson-Krankheit stehen die dopaminergen Neuronen. So haben wir Substanzen gefunden und untersucht, die die Auswirkungen der Parkinson-Krankheit dämpfen, indem wir Mittelhirn-Organoide aus Haut-Zellen von Parkinson-Patienten einsetzen. Wir haben Substanzen gefunden, die gleichsam den Stress auf die dopaminergen Neuronen reduzieren. Andererseits haben wir Substanzen untersucht, die spezifisch die dopaminergen Neuronen in Mittelhirn-Organoiden von nicht betroffenen Menschen schädigen und haben dabei überraschende Befunde erhalten. Mit diesem Ansatz konnten wir erstmals das Flammschutzmittel 3,3 ́,5,5 ́-Tetrabrombisphenol A (TBBPA) als selektives Toxin für dopaminerge Neuronen identifizieren („Cell-Type-Specific High Throughput Toxicity Testing in Human Midbrain Organoids.“ Front Mol Neurosci. 2021 doi: 10.3389/fnmol.2021.715054). Dies könnte eine Erklärung für das vermehrte Auftreten der Parkinson-Krankheit bei Feuerwehrleuten sein.

Ein aufregendes Ergebnis, das wir mit menschlichen Netzhaut-Organoiden erzielt haben, war, dass SARS-Cov-2 möglicherweise über die Augen in das Gehirn gelangen kann. Über dieses Ergebnis wurde auch in den Medien berichtet, z. B. in der Zeitschrift Forbes ("In the Eye of the Storm: How Covid-19 impacts the Eye"). 

Was hat Sie dazu motiviert, im Forschungsbereich der tierversuchsfreien Methoden tätig zu sein? 

Prof. Hans Schöler: Als Biologe habe ich während meiner Forschungstätigkeit immer den Ansatz gewählt, den ich für die Beantwortung einer Frage für notwendig und geeignet hielt. Ich habe biochemische, strukturbiologische, zellbiologische, aber auch entwicklungsbiologische Ansätze gewählt, um zum Beispiel zu verstehen, was die Alleskönnerfähigkeit (Pluripotenz) ausmacht oder wie sich Spermien und Eizellen bilden. Als Biologe habe ich mich für Organoide entschieden, um die Themen, die ich in Frage 1 behandelt habe, möglichst nah am Menschen erforschen zu können. 

Auf welches Projekt blicken Sie mit besonders viel Begeisterung und Stolz? 

Prof. Hans Schöler: Es gibt eine ganze Reihe von Projekten, auf die ich mit großer Begeisterung zurückblicke. Hier führe ich drei an. Mein Labor hat als erstes gezeigt, dass Eizellen aus pluripotenten Stammzellen in der Kulturschale gewonnen werden können. Die Ergebnisse, die in der Zeitschrift Science veröffentlicht wurden, haben ein ganz neues Forschungsgebiet eröffnet (Derivation of oocytes from mouse embryonic stem cells. Science. 2003 doi: 10.1126/science.1083452). Die letzten beiden Projekte, die mich begeistert haben, sind einerseits ein künstlicher Transkriptionsfaktor, den wir entwickelt und Super-Sox genannt haben und zum anderen die Entdeckung von peripheren neuralen Stammzellen in Säugetieren. Mit Super-Sox konnten wir mit hoher Effizienz pluripotente Zellen aus Zellen von Menschen und verschiedenen Tierarten (Maus, Javaneraffe, Rind und Schwein) ableiten. Diese mit Super-Sox reprogrammierten Zellen eröffnen neue Wege für Zellersatztherapien und zum Beispiel für die Erhaltung bedrohter Tierarten (Highly cooperative chimeric super-SOX induces naive pluripotency across species Cell Stem Cell. 2024 doi: 10.1016/j.stem.2023.11.010). Das letzte Beispiel zeigt, wie wichtig Tierversuche sein können. Bisher ging man davon aus, dass neurale Stammzellen (NSZ) bei Säugetieren nur im zentralen Nervensystem vorkommen. Wir haben jedoch festgestellt, dass bei Mäusen periphere NSZ (also außerhalb des zentralen Nervensystems) existieren und isoliert werden können. Um unsere Erkenntnisse überzeugend zu belegen, waren extrem aufwändige Experimente notwendig, die wir mit menschlichem Gewebe nie hätten durchführen können (die Publikation ist bei einer internationalen Fachzeitschrift zur Veröffentlichung eingereicht). Aber dank der Ergebnisse mit der Maus wissen wir jetzt, wonach wir in menschlichem Gewebe suchen müssen. Unsere Entdeckung, dass es periphere NSZ gibt, bietet einen bisher unbekannten Einblick in die Entwicklung des Nervensystems von Säugetieren und stellt eine alternative potenzielle Strategie für die neurale Regenerationstherapie dar – falls es periphere NSZ auch beim Menschen gibt. Eine wichtige Frage wäre dann, ob man mit einer Biopsie oder etwa aus einer Plazenta periphere NSZ gewinnen kann. 

Welche aktuellen Entwicklungen im Bereich der Parkinson-Forschung halten Sie für besonders vielversprechend? 

Prof. Hans Schöler: Meiner Meinung nach haben Zelltherapien nach wie vor das Potenzial, einen wichtigen Beitrag zur Behandlung der Parkinson-Krankheit zu leisten – wobei der Fokus heutzutage mehr auf reprogrammierten Zellen liegt als auf embryonalen Stammzellen. So wird beispielsweise versucht, die durch die Krankheit zerstörten dopaminergen Neuronen durch die Transplantation von Stammzellen zu ersetzen. Verschiedene Stammzelltherapien für die Parkinson-Krankheit zeigen in ersten Studien vielversprechende Ergebnisse. Aber auch der Einsatz von Antikörpern ist meines Erachtens interessant. Eine zentrale Komponente der Parkinson-Krankheit ist die Anhäufung von Alpha-Synuclein-Proteinen im Gehirn. Die Entwicklung von Antikörpern, die diese Proteine erkennen und für den Abbau markieren, hat in Studien vielversprechende Ergebnisse gezeigt. Diese Antikörper könnten dazu beitragen, die Krankheitsprogression zu stoppen oder zumindest zu verlangsamen. 

Vor welchen großen Herausforderungen steht die Forschung im Bereich der Organoid-Modelle und wie gehen Wissenschaftler*innen diese an? 

Prof. Hans Schöler: Meines Erachtens steht die Forschung im Bereich der Organoid-Modelle noch vor mehreren großen Herausforderungen. Die wohl wichtigsten Herausforderungen wurden u.a. in der Stellungnahme der Leopoldina dargelegt (2022_Leopoldina_Stellungnahme_Hirnorganoide_Web.pdf). 

Meiner Meinung nach stellen die folgenden fünf Punkte eine Herausforderung dar, aber es können sich bei der Erforschung von Organoiden noch weitere ergeben. 

• Reproduzierbarkeit und Standardisierung: Die Produktion von Organoiden hängt on von zahlreichen Variablen ab, darunter die verwendeten Stammzelllinien, die Kulturbedingungen und die verwendeten Protokolle. Diese Faktoren können zu erheblichen Unterschieden in der Qualität und Funktionalität der Organoide führen, was die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse erschwert. Die Einführung von standardisierten Protokollen und Qualitätskontrollverfahren ist daher eine zentrale Herausforderung. 
• Komplexität und Reifung: Obwohl Organoide die grundlegenden Strukturen und Funktionen menschlicher Organe abbilden, erreichen sie noch nicht die volle Komplexität und Reife echter Organe. Dies gilt insbesondere für die Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Zelltypen, die Gefäßversorgung und die neuronale Vernetzung. Die Entwicklung von Methoden, die eine vollständige Reifung und komplexe Funktionalität fördern, ist ein wichtiges Forschungsziel. 
• Langzeitkultur und Stabilität: Organoide neigen dazu, ihre Struktur und Funktion über lange Zeiträume in Kultur zu verlieren. Dies stellt ein Problem für Langzeitstudien dar, bei denen die Auswirkungen von Medikamenten oder genetischen Veränderungen über längere Zeiträume untersucht werden sollen. Die Entwicklung von Kulturbedingungen, die eine langfristige Stabilität gewährleisten, ist daher notwendig. 
• Mangelnde Integration von Umwelteinflüssen: Organoide werden in einer relativ isolierten Umgebung gezüchtet, die viele der dynamischen Einflüsse, die in einem lebenden Organismus vorhanden sind, nicht widerspiegelt. Dazu gehören Faktoren wie mechanische Kräfte, der Einfluss des Immunsystems und die systemische Regulierung von Hormonen und nicht zuletzt der sensorische Input (Hören, Sehen, Fühlen etc.). Die Integration dieser Umwelteinflüsse in Organoidmodelle ist eine große Herausforderung, die für eine realistischere Modellierung erforderlich ist. 
• Umsetzung in klinische Anwendungen: Obwohl Organoide vielversprechende Modelle für die Erforschung von Krankheiten und die Entwicklung von Medikamenten sind, stellt sich die Frage, wie gut diese Modelle die menschliche Physiologie und Pathologie widerspiegeln. Es ist eine Herausforderung, die Erkenntnisse aus Organoidmodellen in klinisch relevante Behandlungen und Interventionen umzusetzen. Dies erfordert Validierungsstudien und eine engere Verbindung zwischen Organoidforschung und klinischer Praxis. 

Können Sie Ihre Forschungsergebnisse nutzen, um die Entwicklung von Medikamenten und Therapien zu beschleunigen, und wenn ja, wie? 

Prof. Hans Schöler: Wie in der Antwort zu Frage 1 dargelegt, haben wir ein Hochdurchsatz-Verfahren mit einer neuartigen Plattform-Screening-Technologie entwickelt, mit dem wir zigtausende Substanzen untersuchen können. Unsere Veröffentlichung mit dem Titel „A fully automated high-throughput workflow for 3D-based chemical screening in human midbrain organoids” (Elife. 2020 doi: 10.7554/eLife.52904) wurde inzwischen in mehr als 150 anderen wissenschaftlichen Artikeln zitiert. Durch die Automatisierung des gesamten Arbeitsablaufs von der Generierung bis zur Analyse verbesserten wir die Reproduzierbarkeit innerhalb und zwischen den Chargen, wie durch RNA-Sequenzierung und quantitative Hochdurchsatzmikroskopie von intakten, dreidimensionalen Proben nachgewiesen wurde. Dies ermöglicht die Bewertung von Arzneimittelwirkungen und Toxinen auf Einzelzellebene in einer komplexen 3D-Zellumgebung in einem vollautomatisierten Hochdurchsatz-Arbeitsablauf. 

Welche Vorteile hat es, tierversuchsfreie Forschungsmethoden im Bereich der Parkinson-Forschung einzusetzen? 

Prof. Hans Schöler: Es ist sehr wichtig, eine so komplexe Krankheit wie die Parkinson-Krankheit mit verschiedenen Forschungsmethoden zu untersuchen und daraus Therapien zu entwickeln. Wir haben versucht, mit menschlichen Zellen und aus Stammzellen abgeleiteten Organoiden Modelle zu entwickeln, die zumindest einigen wesentlichen Aspekten der Krankheit beim Menschen so nahe wie möglich kommen. Durch Hochdurchsatz-Abläufe können beliebig viele Organoide produziert werden und dank der exakten Standardisierung der Arbeitsschritte und hohen Gleichheit der erzeugten Proben können die Auswirkungen der Krankheit und mögliche Wirkstoffkandidaten oder Toxinen ganz genau analysiert werden. Außerdem bräuchten Wirkstoffkandidaten, die sich in den Organoiden als unwirksam oder toxisch erweisen, nicht mehr in Tierversuchen untersucht zu werden. 

Was müsste sich aus Ihrer Sicht ändern, um generell tierversuchsfreie Methoden in Deutschland verstärkt zu etablieren? 

Prof. Hans Schöler: Man könnte vielleicht über eine Zusatzförderung im Rahmen bestehender Projekte nachdenken. Warum nicht beispielsweise ein durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft gefördertes Projekt durch eine BMBF-Förderung komplementieren, um Methoden, die keine Tierversuche erfordern, zu etablieren? 

Wie sehen Sie die derzeitige finanzielle Förderung der Forschung zu tierversuchsfreien Methoden? Gibt es Ihrer Meinung nach bestimmte Gründe, weshalb diese im Vergleich zu Tierversuchen nur unzureichend gefördert werden? 

Prof. Hans Schöler: Die Finanzierung der Forschung richtet sich zunächst nicht nach den angewandten Methoden, sondern nach den Forschungsfragen und wie diese am besten untersucht werden können. Doch es gibt Ausnahmen: Die Entwicklung von tierversuchsfreien Methoden – und anderen Methoden zur Reduzierung von Tierversuchen und zur Stärkung des Tierschutzes – wird in Deutschland und der EU gezielt gefördert. Ob die Höhe dieser Förderung ausreicht und ob die Mittel an den richtigen Stellen eingesetzt werden, ist sicherlich umstritten. 

Ich bin mir nicht sicher, ob die Förderung tierversuchsfreier Methoden in ihrer Gänze erfasst wird. In unserer Forschung haben wir Organoide hergestellt, um die Reprogrammierung in 3D und die Parkinson-Krankheit so nah wie möglich am Menschen zu untersuchen. Im Rahmen unserer Forschungsaktivitäten haben wir uns die Frage gestellt, wie wir dazu beitragen können, die Zahl der Tierversuche zu reduzieren. Übrigens hat sich die Max-Planck-Gesellschaft eben dieses Ziel gesetzt und 2017 die Grundsatzerklärung "Tierversuche in der Max-Planck-Gesellschaft" veröffentlicht. Auf der Grundlage dieser Veröffentlichung habe ich einen Antrag an die Max-Planck- Gesellschaft geschrieben und bewilligt bekommen (Titel „Gehirn-Organoide: Alternativen zu Tierversuchen in der Neurowissenschan“). 

Der Eindruck, dass Tierversuche mehr Mittel erhalten als die Entwicklung von Alternativen, beruht auf einem meines Erachtens unzulässigen Vergleich: Die Entwicklung neuer Methoden wird häufig mit deren Anwendung verwechselt. Die Förderung der äußerst vielfältigen biomedizinischen Forschung für ganz unterschiedliche Forschungsziele wird mit dem einzelnen Wissenschaftszweig für die Entwicklung neuer Alternativmethoden verglichen. So wird in der Diskussion plötzlich ein vermeintliches Übergewicht der Tierversuche behauptet – obwohl diese in Wirklichkeit nur einen kleinen Teil aller Methoden in der biomedizinischen Forschung ausmachen. 

Was ist Ihr nächstes Ziel? Welche Projekte planen Sie als nächstes? 

Prof. Hans Schöler: Zwar könnte ich Projekte planen, aber leider nicht mehr durchführen, da ich als emeritierter Direktor nicht mehr über ein Labor verfüge. Dennoch verfolge ich weiterhin die wissenschaftlichen Entwicklungen und Themen, die mich immer schon interessiert haben. Ich finde es ganz spannend, zu sehen, welche Entwicklungen die Organoidforschung gerade durchmacht und ich setze mich hierfür ein, wie es mir möglich ist. Und ich bin gespannt, wann sie zur Heilung oder Linderung von neurologischen Erkrankungen beitragen wird.