Test: Kühlung optimiert 3D

Erkältete Organoide

(21.10.2026) Nasale Epithelzellen wachsen in vitro in verkehrter Orientierung. Um Erkältungsviren an Organoiden zu untersuchen, sollten die Zellen aber „richtig herum“ liegen.

Die Nase ist Haupteintrittspforte für Erreger von Atemwegsinfektionen. Nicht immer schafft es die Nasenschleimhaut, Pathogenbesiedelung und -vermehrung zu verhindern und Keime davon abzuhalten, noch weiter in die oberen oder gar unteren Atemwege vorzudringen. Wie solche Infektionen beim Menschen ablaufen und vereitelt werden können, lässt sich aus Studien mit Tiermodellen nur bedingt ableiten. Mäuse und Kaninchen niesen oder husten anders als Menschen, und die Nasenanatomie ist offensichtlich auch verschieden.

Der alternative Ansatz sind In-vitro-Experimente auf Basis humaner Atemwegsepithelien. Das schont nicht nur Versuchstiere, sondern gibt auch die Infektions- und Abwehrprozesse realistischer wieder. Der Griff zu Organoiden liegt nahe, und für Gewebeproben vom Nasenepithel als Startmaterial ist nur ein harmloser medizinischer Eingriff nötig. Die Zellexpansion in einer üblichen 3D-Kultivierung mit extrazellulärer Matrix und Stützsubstanz bringt jedoch „falsch gepolte“ Organoide hervor. Die apikale Seite des Epithels zeigt ins Organoid-Innere. Um Pathogen- oder Medikamenten-Interaktionen zu studieren, sollte das Epithel aber wie in einer natürlichen Schleimhaut orientiert sein.

Die Nase mag es kühl

Forschende um Salvatore Simmini, der bei Stemcell Technologies im britischen Cambridge arbeitet, wollten solche Organoide verbessern. Bereits 2022 hatte sich Simmini mit weiteren Kollegen bronchiale Epithelien vorgenommen, für die jedoch eine aufwendigere Biopsie anfällt als für nasales Gewebe. Sie verzichteten gänzlich auf Einbettung und nutzten nach der Zellexpansion in einem optimierten Medium spezielle Zuchtplatten, um die Organoide zu generieren. Simmini und Co. führten mit diesen Kulturen dann unter anderem Infektionstests mit Influenzaviren durch (Sci Rep, 12(1): 7673).

Das respiratorische Synzytialvirus (RSV) breitet sich aber gern schon in der Nasenschleimhaut aus. Die drei Gewebsschichten umfassen das mehrreihige Flimmerepithel mit Becherzellen, die Basalmembran sowie die Lamina propria mit Bindegewebszellen. Auch hier wäre es vorteilhaft, das Flimmerepithel auf der Organoidoberfläche zu haben. Für die aktuelle Studie nahm das Team als Erstautor neben dem schon damals mitschreibenden Georgios Stroulios von Stemcell Technologies auch noch Mathieu Hubert von der Universität Genf mit an Bord (LINK zum Paper unten).

Zunächst gab es Ernüchterung: Das 2022er-Protokoll für Bronchialepithel-Organoide konnte die Gruppe nicht einfach auf Nasalepithelien anwenden. Organoide ließen sich damit kaum gewinnen, und ihre Überlebensdauer war sehr beschränkt. Die Inkubation fand, wie für humane Organoide und Zellkulturen üblich, bei 37 °C statt. Hierin witterte das Team den Haken. Zwar entsprechen die Kultivierungsbedingungen prinzipiell der menschlichen Körpertemperatur, aber abgesehen von Hochsommertagen herrscht in den Nasenhöhlen ein kühleres Klima. Somit inkubierten die Forschenden die Zellen nach Expansion bei 32,5 °C.

Kaum Ausbeulungen

Startmaterial waren kryokonservierte humane Nasenepithelzellen, die nach Aussäen und Passagieren in sogenannte „micropatterned“ Multi-Well-Platten überführt wurden (siehe Bild). Diese Platten hatten in jedem ihrer 24 Wells rund tausend winzige Vertiefungen, in denen sich die Zellen absetzen und Aggregate bilden konnten. Bei beiden getesteten Inkubationstemperaturen entstanden aus identem Startmaterial desselben Spenders binnen weniger Tage Aggregate mit großteils ebenem Rand. Ausbeulungen, ein Hinweis auf Zelltod, gab es kaum. Nach der Aggregationsphase wurden die suspendierten Proben in eine herkömmliche 24-Well-Platte mit flachem Boden transferiert, um die Differenzierung einzuleiten.

Bei den bei 32,5 °C-kultivierten Proben war die Ausbeute mit rund 700 Organoiden pro Well etwa doppelt so hoch wie bei wärmer kultivierten. Die Wärme setzte den Organoiden zu, denn bei 37 °C blieb nach vier Wochen nichts mehr übrig, die Organoide waren komplett dissoziiert und viele Zellen tot. Die kühler kultivierten Organoide zeigten sich hingegen wohlauf. Ihre Oberfläche war nach ausreichend langer Differenzierungszeit mit zappelnden Flimmerhärchen bedeckt. Für weitere Optimierung nutzte das Team Material von drei Spendern, um individuelle Unterschiede zu erkennen und die Allgemeingültigkeit der „Kühl-ist-besser“-Regel zu testen. In allen Fällen lag die Organoidausbeute bei 32,5 °C klar über der bei 37 °C.

Infektionsmodell für RSV

Immunohistochemische Untersuchungen und RNA-Analysen von Markergenen passten zum Gewebetyp. Sie bestätigten nicht nur, dass die Organoide Flimmerhärchen, Becherzellen und Basalzellen enthielten, sondern auch deren richtige Anordnung.

Vorteilhaft, vor allem in Hinblick auf Anwendungen, ist die homogene Größe, die innerhalb von Organoiden desselben Spenders sowie zwischen Organoiden unterschiedlicher Spender nur zwischen 10 und 15 Prozent variierte, was rund 80 Mikrometern entspricht. Diffusionsstrecken für applizierte Substanzen wären entsprechend schwankungsarm.

Zur Zellaussaat verwendet man am besten 300 Zellen pro Mikrowell. Eine höhere Zelldichte wäre kontraproduktiv für Qualität und Ausbeute. Die kühlen Bedingungen sollte man noch nicht in der Proliferationsphase anwenden. Ebenfalls interessant: Bronchiale Epithelzellen mögen die kühleren Inkubationsbedingen gar nicht und reagieren im Gegensatz zu den nasalen Epithelien hierauf sehr empfindlich.

Als Anwendungstest verabreichten die Forschenden ihren nasalen Organoiden ein virales Inokulum aus RSV. Die mCherry-markierten Viren zeigten sich nach 24-stündiger Inkubation als großflächige fluoreszierende Zonen auf der Organoidoberfläche – ein klarer Hinweis auf Virusvermehrung. Die Zonen waren umso größer, je höher konzentriert das eingesetzte Inokulum. Eine Behandlung mit Ribavirin, einem antiviralen Wirkstoff, zwei Stunden vor Infektion konnte die Virusvermehrung verhindern. Die erforderliche Dosis schwankte nur gering innerhalb der Organoide desselben Spenders. Sie unterschied sich jedoch zwischen den drei Spendern um mehr als das Zehnfache.

Andrea Pitzschke

Stroulios G. et al. (2026): Generation of apical-out nasal organoids to facilitate human respiratory syncytial virus infection and drug screening. iScience, 29(7): 116638.

Bild: Stroulios et al.