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Human lungs
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Neue Hoffnung bei Lungenerkrankungen

Der Lungenforschung bei Helmholtz Munich sind einige spektakuläre Durchbrüche gelungen. Sie könnten den Weg für die Therapie schwerer Krankheiten ebnen.

Der Lungenforschung bei Helmholtz Munich sind einige spektakuläre Durchbrüche gelungen. Sie könnten den Weg für die Therapie schwerer Krankheiten ebnen.

Lungen-Modell simuliert Lungenfibrose

Das Hightech-Gerät, das Dr. Otmar Schmid und sein Postdoktorand Dr. Ali Doryab gebaut haben, steht hinter verschlossenen Türen in einem Medizin-Labor des Instituts für Lungengesundheit und Immunität (LHI). Schläuche sind daran montiert, dazu zwei größere Gefäße und eine Membran, die sich hebt und senkt. „Das ist unser Bioreaktor“, sagt Schmid, „eine Art künstliche Lunge.“ Ein Gerät, mit dem sich zum Beispiel untersuchen lässt, wie wirksam neu entwickelte Medikamente sind, wenn Patient:innen sie inhalieren. Für die Lungenforschung eröffnet das ganz neue Möglichkeiten.

 

Das hochkomplexe Gerät simuliert eine Lungenfibrose – eine Erkrankung, bei der sich das Gewebe verhärtet und weniger dehnbar wird. Die Lunge verliert dadurch an Volumen für die Atmung. Genau das ahmt das Modell nach - mit einer dehnbaren Membran, auf der Lungenzellen wachsen, deren Dehnbarkeit sich verändern lässt.

 

Im Video zu sehen: BETA-Membran des Mini-Lung-Fibrosis-Model (© Ali Doryab | Helmholtz Munich)

BETA-Membran des Mini-Lung-Fibrosis-Model

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Bislang stellte die Untersuchung der Lungenfibrose für die Forschung ein Problem dar, weil künstliche Modelle mit Lungenzellen zu stark vereinfacht waren. Auch Vergleiche mit Tieren kommen oft nicht in Frage, weil es in diesem Fall zu große Unterschiede zum Menschen gibt. Der Bioreaktor der Münchner Forscher:innen füllt diese Lücke, auch wenn Otmar Schmid einschränkt: „Eine menschliche Lunge besteht aus ungefähr 60 verschiedenen Zelltypen. Wir simulieren in unserem Modell drei – das ist also viel weniger komplex.“

Die drei Zelltypen aber sind genau diejenigen, die an der Luftbarriere und der Blutbarriere vorkommen; an jenem Ort der Lunge, an dem der Sauerstoff in den Blutkreislauf gelangt. Für die Untersuchung der Lungenfibrose ist das die entscheidende Stelle. „Für unsere spezifischen Fragestellungen bietet das Modell genau die richtigen Möglichkeiten“, sagt Otmar Schmid. In der Pneumologie, der Lungenheilkunde, sorgte das Lungenmodell mit seinem innovativen Ansatz für Aufsehen – zusammen mit weiteren spektakulären Entwicklungen von Helmholtz Munich.

 

Mit neuester Technik die Krankheiten entschlüsseln


Moderne Hightech-Methoden sind vielversprechend, wenn es um Medikamente für Lungenerkrankungen geht. Ein Beispiel sind sogenannte Single-Cell-Analysen, mit denen sich Entwicklungen in einzelnen Zellen lückenlos verfolgen lassen. „Früher konnten wir uns die Lunge anschauen, wenn ein Mensch oder ein Tier gestorben waren. Da sahen wir den Endpunkt einer Krankheit. Wie sie sich aber über die Zeit entwickelt hat, konnten wir dadurch nicht beobachten“, sagt Otmar Schmid. „Durch die neuen Methoden können wir jetzt Interaktionswege feststellen und in Echtzeit herausfinden, was zum Beispiel eine bestimmte Behandlung genau bewirkt.“

Schmid setzt große Hoffnungen auf Medikamente, die inhaliert werden – Medikamente gegen Lungenkrankheiten, aber auch gegen völlig andere Erkrankungen. „Bislang ist das Problem, dass das Patientenverhalten einen großen Einfluss darauf hat, wieviel vom Wirkstoff auch tatsächlich ankommt“, sagt Schmid. Richtiges Inhalieren setzt einiges an Übung voraus, während zum Beispiel eine Tablette automatisch die immer gleiche Menge eines Wirkstoffs ans Ziel bringt.

Schmid arbeitet deshalb mit seinem Team an einer „precision inhalation therapy“, wie er es nennt: „Das kann man sich so vorstellen, dass Betroffene so einfach und richtig inhalieren, wie sie eine Tablette einnehmen. Sie halten ein Gerät vor den Mund und atmen normal weiter – und irgendwann bekommen sie die Nachricht, dass sie genug vom Wirkstoff aufgenommen haben.“ Auf diesem Feld, glaubt Otmar Schmid, stehen große Entwicklungsschritte bevor.

 

Auf den Spuren von COPD

Hinter all diesen Entwicklungen steckt das Forschungsteam von Prof. Ali Önder Yildirim, dem Leiter des Instituts für Lungengengesundheit und Immunität (LHI) bei Helmholtz Munich. „Die Lunge hat mich schon immer fasziniert“, sagt Yildirim: „Ohne Ernährung kann ein Mensch drei Wochen aushalten, ohne Wasser drei Tage – aber ohne Luft höchstens drei Minuten.“ Trotzdem führte die Forschung zu Lungenkrankheiten weltweit viele Jahrzehnte ein Schattendasein. Und das, obwohl die Lunge hinter einer der weltweit häufigsten Todesursachen steht – hinter der chronisch obstruktiven Lungenerkrankung (COPD), bei der nach und nach das Lungengewebe zerstört wird.

 

 

Neue Therapie-Ansätze

In zwei aufsehenerregenden Studien haben Yildirim und sein Team wichtige Fortschritte im Kampf gegen COPD erzielt: Sie konnten in Experimenten an Mäusen und Organoiden das Fortschreiten der Krankheit aufhalten und sogar dafür sorgen, dass sich eine beschädigte Lunge wieder regeneriert. „Auf molekularer Ebene läuft die Krankheit so ab, dass sich B-Zellen anhäufen und die Lungenbläschen zerstören“, erläutert Ali Önder Yildirim. „Wir haben uns also gefragt, ob wir COPD aufhalten können, wenn wir die Ansammlung von B-Zellen verhindern.“

Die B-Zellen verklumpen zu sogenannten Lymphfollikeln. Das Ziel ist es also, diese Follikel zu zerstören. Yildirim und sein Team setzten dazu Clotrimazol ein – einen Wirkstoff, der üblicherweise für die Behandlung von Pilzinfektionen verwendet wird. Sie stellten fest: Tatsächlich konnte der Krankheitsverlauf im Mausversuch gestoppt werden.

Für die vielen Betroffenen, die schon fortgeschrittene Symptome haben, käme diese Hilfe allerdings zu spät. Also suchten Yildirim und sein Team nach einer Möglichkeit, eine bereits zerstörte Lunge wiederherzustellen. Auch hier fanden sie einen Ansatz – und machten damit weltweit Schlagzeilen.

 

 

Wie sich die Lunge selbst reparieren kann


Der Kern: Bestimmte Moleküle rufen in der Lunge den Zelltod hervor – und verhindern gleichzeitig, dass sich die Lunge wieder regeneriert. Diese sogenannten Liganden werden in T- und B-Zellen der Lunge gebildet. Sie docken dann an Rezeptoren von Epithelzellen an; genau von dieser Stelle aus richten sie den Schaden an. „Unsere Idee war es deshalb, diese Liganden zu blockieren“, erläutert Ali Önder Yildirim. Mit seinem Team probierte er diese Idee zunächst an Mäusen aus, deren Lunge durch den Kontakt mit Rauch geschädigt war.
„Und eines Tages kam ein Mitarbeiter zu mir ins Büro und sagte: „Ich glaube, wir haben da etwas Besonderes!“, erinnert sich Yildirim. Sofort lief er los ins Labor, um sich mit eigenen Augen zu überzeugen: Die kranken Tiere, stellte er sofort fest, sahen wieder gesund aus. Das verblüffende Experiment ließ er sofort wiederholen – und war damit erfolgreich. „Dass das gelingt und die bereits entstandene Krankheit rückgängig gemacht werden konnte“, sagt Yildirim, „das ist weltweit einzigartig.“ Inzwischen haben die Forscher:innen diesen Erfolg nicht nur an Mäusen, sondern auch an sogenannten Organoiden erzielen können – das sind künstliche Organe, die jenen von Menschen ähneln.

 

Die Kräfte zur Regeneration sind in der Lunge offenbar von Natur aus angelegt. „Die Lunge hat unheimlich viel Kontakt mit der Außenwelt. Es ist eines der Organe mit der größten Oberfläche“, sagt Ali Önder Yildirim. Mit jedem Atemzug nimmt der Körper über die Lunge alle Substanzen auf, die sich in der Luft befinden. Auch mit negativen Einflüssen klarzukommen, ist für die Lunge deshalb wichtig: „Aber weil sie oft dauerhaft Schadstoffen ausgesetzt ist, wird ihre Regenerationsmöglichkeit eingeschränkt.“

Wegen vieler Luftschadstoffe ist COPD auch so verbreitet. Ursprünglich galt die chronisch obstruktive Lungenerkrankung als Raucherkrankheit. Heute ist bekannt, dass sie nicht nur durch Zigarettenrauch ausgelöst wird, sondern zum Beispiel auch durch Schadstoffe in der Luft. Ali Önder Yildirim hat sein Ziel klar vor Augen: Derzeit ist COPD weltweit die dritthäufigste Todesursache – „meine Vision ist es, die Krankheit so gut zu bekämpfen, dass sie nur noch den 20. Platz belegt!“

Die Forscher:innen von Helmholtz Munich tragen mit ihrem Knowhow zu diesem Fortschritt bei. Helfen werden die Innovationen bei Lungenkrankheiten wie COPD oder Lungenfibrose, aber auch bei anderen Erkrankungen.

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