Menschliches Knochenmark-Organoid modelliert Blutkrebs und Immunzellproduktion

Das Knochenmark ist die Produktionsstätte des Körpers für Blut- und Immunzellen und in spezialisierte Nischen unterteilt, an denen mesenchymale Stromazellen, Gefäße, Osteoblasten und Adipozyten beteiligt sind. Störungen dieser Nischen liegen einem breiten Spektrum an Blutkrebs und Knochenmarkversagen zugrunde. Menschliches Knochenmark ist jedoch schwer zugänglich, und Tiermodelle bilden die humanspezifische Biologie nur unzureichend ab. Bestehende In-vitro-Modelle sind auf Primärzellen von Spendern angewiesen, was Reproduzierbarkeit und Skalierbarkeit einschränkt; keines dieser Modelle hat bislang gleichzeitig lymphoide und myeloide Hämatopoese zusammen mit vollständiger Stromavielfalt abgebildet.

Um dieses Problem zu lösen, entwickelten Forschende comBO (combined bone and lympho-myeloid bone marrow organoid), das vollständig aus humanen induzierten pluripotenten Stammzellen (hiPSCs) gewonnen wird. Die Differenzierung erfolgte über sequenzielle Zytokin-Cocktails unter physiologischen 5% Sauerstoff über 20 Tage, gefolgt von einer lymphoiden Induktionsphase mit Zugabe von IL-7 sowie einer Reifungsphase bei 20% Sauerstoff bis Tag 35. Entscheidend ist, dass die Organoide in granulären Mikrogelgerüsten anstelle von Bulk-Hydrogelen gezüchtet wurden, was Skalierbarkeit, Reproduzierbarkeit und Extraktionseffizienz deutlich verbesserte.

Durchflusszytometrie und Einzelzell-RNA-Sequenzierung (scRNA-seq) von über 45.000 Zellen aus vier unabhängigen Differenzierungen bestätigten die Erzeugung von HSPCs, Monozyten, Neutrophilen, dendritischen Zellen, erythroiden Zellen, Megakaryozyten, T-Zell-Vorläufern, NK-Zellen, B-Zell-Vorläufern, sinusoidalen/arteriellen/kapillaren Endothelzellen, MSCs, CAR-Vorläufern, Osteoblasten, osteolineage-Vorläufern, Adipozyten und frühen Osteoklasten. Stromazellen exprimierten wichtige hämatopoetische Unterstützungsfaktoren, darunter CXCL12, KITLG, IL7, DLL4, JAG1/2 und ANGPT1/2. Trajektorienanalysen bestätigten eine echte HSC/MPP-Differenzierung in sowohl myeloide als auch lymphoide Linien. Der Vergleich mit einem humanen Knochenmarkatlas erwachsener Personen zeigte eine hohe transkriptionelle Homologie; comBO-Zellen ähnelten an Tag 35 eher adultem als fetalem Knochenmark.

Zur Validierung der Eignung für die Krankheitsmodellierung wurden primäre Zellen von multiplem Myelom-Patienten in comBOs eingebracht und sogenannte „Chimeroide" erzeugt. Diese bildeten charakteristische Merkmale der Myelombiologie originalgetreu nach: Stroma-Entzündung, metabolische Umprogrammierung von MSCs und eine Blockade der Osteoblastenreifung, die der Knochenerkrankung beim multiplen Myelom entspricht. Rezeptor-Ligand-Interaktionsanalysen identifizierten den Macrophage Inhibitory Factor (MIF) als zentralen Mediator der myelombedingten Nischenentzündung. Die pharmakologische Hemmung von MIF reduzierte entzündliche Signalgebung innerhalb der Organoid-Nische und unterdrückte die Proliferation von Myelomzellen, wodurch MIF als potenzielles therapeutisches Ziel identifiziert wurde.

Serielle Organoid-Reseeding-Assays demonstrierten ein anhaltend langfristiges lympho-myeloides Potenzial und unterstrichen die funktionelle Dauerhaftigkeit von comBOs. Obwohl sich diese Studie auf das multiple Myelom als Machbarkeitsnachweis konzentrierte, ist die Plattform darauf ausgelegt, breit auf andere hämatologische Erkrankungen und immunologische Zustände anwendbar zu sein. comBOs stellen einen bedeutenden Schritt hin zu physiologisch authentischer, skalierbarer humaner Knochenmarkmodellierung dar – sowohl für die Grundlagenforschung als auch für die translationale Wirkstoffentwicklung.