Menschliche Organe bis ins kleinste Detail sichtbar zu machen und ihren Aufbau noch besser zu verstehen, ist die große Hoffnung von manchen Medizinern. Was Röntgenstrahlen, Ultraschall und Computertomografie nur ansatzweise schaffen, ist Forschern vom Helmholtz Zentrum München in Zusammenarbeit mit der Ludwig-Maximilians-Universität München mit einem neuen Verfahren gelungen.
3D-Bilder von Mäuse-Organen
Im ersten Schritt gelang es den Forschern, nur einzelne Zellen von Blutgefäßen oder Nervenbahnen sowie inneren Organen von Mäusen sichtbar zu machen. Mit Reinigungsmitteln konnten sie einzelne Zellen durchdringen und sie transparent erscheinen lassen, um daraus später 3D-Bilder zu generieren. Bei menschlichen Organen scheiterte diese Methode zunächst, da sich zum Beispiel bei einer Niere je nach Alter unlösbare Moleküle wie Collagen anreichern. Das blockiert die Durchlässigkeit und verhindert einen Blick in tiefes Gewebe.
Menschliche Organe besser verstehen
Deshalb war es zunächst notwendig, für menschliche Organe ein anderes Mittel und eine andere Methode zu finden, mit der man in Zellstrukturen blicken kann. Mit einem Trick gelang es der Chemikerin Shan Zhao und ihrem Team vom Helmholtz Zentrum München, Löcher in einem Organ zu erzeugen. Sie entwickelten dafür ein sogenannten Detergens CHAPS, ein spezielles Reinigungsmittel. Das macht die Zellen durchlässiger für weitere Lösungsmittel, die dann tiefer ins Gewebe fließen können. Dieser Blick in kleinste Zellstrukturen eines Organs hilft den Forschern, besser zu verstehen, wie Krankheiten entstehen.
"Wir müssen verstehen, wie Organe in gesundem Zustand funktionieren. Dann könnten wir auch leicht erkennen, wenn etwas nicht stimmt. Wenn zum Beispiel Zellen, die an einer bestimmten Stelle sein müssten, nicht da sind. Wir können endlich verstehen, warum Krankheiten auftreten." Dr. Ali Ertürk, Gentechniker und Molekularbiologe, Helmholtz Zentrum München
Neues Laser-Scanning-Mikroskop macht jede Zelle sichtbar
Damit sie die Organe genauer analysieren können, müssen diese transparent sein und mit 3D-Aufnahmen erfasst werden. Dafür entwickelten die Forscher ein neues Laser-Scanning-Mikroskop, mit dem sie Zellstrukturen detailliert erfassen und kartieren können. Dieses spezielle Mikroskop schafft Aufnahmen von menschlichen Organen bis zur Größe einer Niere. Die verschiedenen Farben des Lasers erfassen die Gefäße und Zellen und machen sie sichtbar. Anschließend müssen die Datenmengen, die hier entstehen, in grafische Bilder übersetzt werden.
Ein Algorithmus übersetzt die Datenmenge
Ein Team der Technischen Universität München unterstützte die Molekularbiologen, die Unmengen an Daten, die beim Scannen entstanden sind, zu analysieren. Sie entwickelten einen selbstlernenden Algorithmus, der die Daten in ein dreidimensionales Bild übersetzt. Diese Methode macht es möglich, jede einzelne Zelle einer Niere oder eines Auges zu betrachten und somit krankhafte Veränderungen oder Krebszellen zu erkennen. Ebenso könnte man die Wirkung von Medikamenten überprüfen.
Künstliche Organe selbst herstellen
Dreidimensionale Aufnahmen von menschlichen Organen könnten aber auch als Vorlage für künstlich hergestelltes Gewebe aus einem 3D-Biodrucker dienen. Das ist das finale Ziel der Forscher. An ihrer Entwicklung arbeiten sie bereits. Bislang entwickelten sie erst einzelne Teile einer Niere und beschäftigen sich mit der weiteren Erfassung menschlicher Organe. Ali Ertürk und sein Team arbeiten derzeit an der Kartierung der Bauchspeicheldrüse, dem Herzen und der Niere.
"Meine Vision ist es, Organe bei Bedarf herstellen zu können. Wenn jemand ein Herz oder eine Niere braucht, nehmen wir von einer Person Millionen und Milliarden von Hautzellen zum Beispiel, bauen daraus das Organ und transplantieren es." Dr. Ali Ertürk, Gentechniker und Molekularbiologe, Helmholtz Zentrum München