Herzschlag in der Petrischale: Wie Organoide die Forschung revolutionieren

Ein funktionelles, eigenständig schlagendes Mini-Herz in der Petrischale – kleiner als ein Stecknadelkopf und sogar mit einem eigenen Immunsystem ausgestattet. Was vor wenigen Jahren noch wie Science-Fiction klang, ist heute faszinierende Realität in modernen Forschungslaboren. Organoide – dreidimensionale, im Labor gezüchtete Miniaturmodelle menschlicher Organe – revolutionieren die biomedizinische Forschung. Sie schließen die Lücke zwischen klassischen zweidimensionalen Zellkulturen und komplexen Tiermodellen, indem sie die Architektur und Funktion menschlicher Gewebe deutlich realistischer nachbilden. Diese „Organe im Miniformat“ verändern grundlegend, wie wir Krankheiten erforschen, neue Therapien entwickeln und den Weg zu einer personalisierten Medizin ebnen.

Wie weit diese Technologie inzwischen fortgeschritten ist, zeigt ein aktueller Durchbruch aus der deutschen Forschung: Wissenschaftler*innen des Fraunhofer-Instituts für Toxikologie und Experimentelle Medizin (ITEM) und der Medizinischen Hochschule Hannover ist es gelungen, Herzorganoide zu entwickeln, die nicht nur rhythmisch schlagen, sondern sogar über ein eigenes funktionierendes Immunsystem verfügen (Abb. 1). Mit diesen innovativen Mini-Herzen kann erstmals die potenzielle Kardiotoxizität neuer Wirkstoffe direkt an menschlichem Herzgewebe untersucht werden. Da zahlreiche vielversprechende Medikamente – insbesondere in der Krebsforschung – erst in späten Entwicklungsphasen aufgrund unerwünschter Nebenwirkungen auf das Herz scheitern, sind die „Hannoveraner Mini-Herzen“ von großer Bedeutung [1].

Doch wie entstehen diese faszinierenden Mini-Organe? Wie gelingt es, aus wenigen Stammzellen dreidimensionale Gewebestrukturen zu erzeugen, die nicht nur die Architektur, sondern auch zentrale Funktionen eines menschlichen Organs nachbilden?

1) Von der Zelle zum Organ: Das Geheimnis der Selbstorganisation

2) Die Krux mit der Reproduzierbarkeit

3) Architektur für Mini-Organe: Maßgeschneiderte Matrizes für stabile Organoidkulturen von Amsbio

4) „Molecular Farming“ für die Organoid-Forschung: Tierfreie Wachstumsfaktoren von ORF Genetics

Von der Zelle zum Organ: Das Geheimnis der Selbstorganisation

Heute lassen sich Organoide für eine Vielzahl menschlicher Gewebe erzeugen – darunter Modelle für Herz, Magen, Darm, Niere und sogar komplexe Strukturen des Gehirns [2]. Ausgangspunkt sind in der Regel embryonale Stammzellen (ESCs), induzierte pluripotente Stammzellen (iPSCs) oder gewebespezifische adulte Stammzellen [3]. Gemeinsam ist ihnen die Fähigkeit, sich unter den richtigen Bedingungen in unterschiedliche Zelltypen zu entwickeln und sich zu hochorganisierten Gewebestrukturen zusammenzuschließen. Das Besondere an Organoiden ist ihre Fähigkeit zur Selbstorganisation. Stammzellen verfügen über ein intrinsisches genetisches Programm, das ihre räumliche Anordnung, Zell-Zell-Kommunikation und Differenzierung steuert. Erhalten sie die passenden biochemischen und physikalischen Signale, entstehen daraus dreidimensionale Gewebestrukturen, die zentrale Merkmale ihres natürlichen Vorbilds nachbilden. In klassischen zweidimensionalen Zellkulturen geht dieses Potenzial jedoch weitgehend verloren. Auf den starren Kunststoffoberflächen herkömmlicher Kulturschalen wachsen Zellen flach, verändern ihre Morphologie und kommunizieren anders miteinander als im natürlichen Gewebe. Dadurch bilden sie weder die komplexe Architektur noch die funktionellen Eigenschaften eines Organs realistisch nach.

Damit aus Stammzellen tatsächlich ein funktionelles Mini-Organ – wie die Herzorganoide des Fraunhofer-Teams – entsteht, müssen im Labor die Bedingungen geschaffen werden, die Zellen auch im menschlichen Körper vorfinden. Entscheidend sind dabei sowohl die physikalische Umgebung als auch die biochemische Signalgebung [4]. Zunächst benötigen die Zellen ein dreidimensionales Gerüst, an dem sie haften, sich orientieren und räumlich organisieren können. Solche Matrizes ahmen die Eigenschaften der natürlichen extrazellulären Matrix (ECM) nach – jenes komplexen Netzwerkes aus Proteinen und anderen Molekülen, das Geweben Stabilität verleiht und das Verhalten der Zellen maßgeblich beeinflusst. Ebenso wichtig ist die gezielte Steuerung der Zelldifferenzierung. Durch die zeitlich und räumlich kontrollierte Zugabe spezifischer Signalproteine, sogenannter Wachstumsfaktoren, erhalten die Stammzellen die notwendigen Entwicklungsimpulse, um sich in definierte Zelltypen zu differenzieren. Sind diese physikalischen und biochemischen Bedingungen optimal aufeinander abgestimmt, entfaltet sich das bemerkenswerte Potenzial der Selbstorganisation: Die Zellen ordnen sich eigenständig zu komplexen dreidimensionalen Geweben an und bilden organtypische Strukturen wie neuronale Netzwerke, Blutgefäßstrukturen oder kontrahierende Herzmuskelverbände aus (Abb. 1).

Abbildung 1: Funktionelles, eigenständig schlagendes Herzorganoid [1]. Das vom Fraunhofer-Institut für Toxikologie und Experimentelle Medizin (ITEM) und der Medizinischen Hochschule Hannover entwickelte Mini-Herz besteht aus Herzmuskelzellen (Kardiomyozyten, pink), kardialen Fibroblasten (Bindegewebszellen, gelb) und Endothelzellen (Gefäßzellen; Zellkerne blau). Gemeinsam bilden diese Zelltypen ein dreidimensionales Herzgewebe, das zentrale strukturelle und funktionelle Eigenschaften des menschlichen Herzens nachbildet. Copyright: © Fraunhofer ITEM

Die Krux mit der Reproduzierbarkeit

So revolutionär die Organoid-Technologie ist, eine ihrer größten Herausforderungen bleibt die Reproduzierbarkeit. Damit Organoide in der Wirkstoffentwicklung, Toxikologie oder Krankheitsforschung als verlässliche Modelle eingesetzt werden können, müssen sie unter exakt definierten und standardisierten Bedingungen kultiviert werden. Bereits geringe Unterschiede bei der Zellkultur, den Kulturmedien oder der Matrix können die Entwicklung und Funktion der Organoide beeinflussen und damit die Vergleichbarkeit von Versuchsergebnissen einschränken. Wie sich dieser Herausforderung begegnen lässt, zeigt das Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung (HZI) in Braunschweig. Dort übernimmt der Zellkulturroboter Molly die automatisierte Herstellung von Organoiden. Rund um die Uhr im Einsatz, kann das System bis zu 40.000 Organoide pro Monat kultivieren und sorgt dabei für eine hohe Prozesskonsistenz – eine wichtige Voraussetzung für reproduzierbare Experimente und aussagekräftige Analysen [5].

Neben der präzisen Automatisierung spielt jedoch auch die Qualität der verwendeten Reagenzien eine entscheidende Rolle. Wachstumsfaktoren und Zellkulturmatrizes müssen höchsten Anforderungen an Reinheit, Stabilität und Chargenkonsistenz genügen. Bereits geringfügige Schwankungen können die Zelldifferenzierung beeinflussen, zur Entstehung unerwünschter Zelltypen führen oder die strukturelle Integrität der Organoide beeinträchtigen. Für eine zuverlässige und reproduzierbare Organoid-Kultur sind daher hochwertige, standardisierte Zellkulturkomponenten unverzichtbar. Gemeinsam mit unseren Partnern Amsbio und ORF Genetics bietet Biomol ein Portfolio spezialisierter Matrizes, rekombinanter Wachstumsfaktoren und weiterer Zellkulturreagenzien, die Forschende bei der Etablierung robuster Organoidmodelle unterstützen.

Architektur für Mini-Organe: Maßgeschneiderte Matrizes für stabile Organoidkulturen von Amsbio

Unser Partner Amsbio liefert die passenden biologischen Bausteine für Ihre Organoid-Kultur: Mit iMatrix, einer Reihe rekombinanter Laminin-E8-Fragmente, stehen definierte und xeno-freie Zellkultursubstrate zur Verfügung, die gezielt auf unterschiedliche Zelltypen und Differenzierungsprozesse abgestimmt sind. Laminine sind wichtige Proteine der extrazellulären Matrix und dienen als Adhäsionssubstrate für zahlreiche Zelltypen. Über ihre E8-Domäne interagieren sie mit Integrin-Rezeptoren auf der Zelloberfläche und beeinflussen dadurch zentrale Zellprozesse wie Anheftung, Proliferation und Differenzierung [6].

Die iMatrix-Produkte ahmen diese natürlichen ECM-Signale nach und schaffen so eine kontrollierte Umgebung, in der sich Zellen entsprechend ihrer biologischen Eigenschaften entwickeln können. Die iMatrix-Serie von Amsbio umfasst hochreine, rekombinante E8-Fragmente verschiedener Laminin-Isoformen (Laminin-511, -111, -221, -332 und -411). Diese ermöglichen eine gezielte Anpassung der Zellkulturbedingungen und unterstützen die Entwicklung unterschiedlicher Organoidmodelle, indem sie die Signale der natürlichen Zellumgebung in vivo nachbilden (Abb. 2).

Abbildung 2: Die iMatrix-Serie von Amsbio unterstützt die gezielte Differenzierung induzierter pluripotenter Stammzellen (iPSCs) in Zelltypen der drei Keimblätter Ektoderm, Mesoderm und Endoderm [6]. iMatrix-511: Erhaltung und Expansion pluripotenter Stammzellen. iMatrix-411: Induktion der Differenzierung von ES-/iPS-Zellen zu vaskulären Endothelzellen. iMatrix-221: Anreicherung und Erhaltung von Kardiomyozyten und Skelettmuskelzellen. iMatrix-332: Induktion der Differenzierung von iPS-Zellen zu Hornhautepithelzellen. iMatrix-111: Induktion der Differenzierung humaner iPS-Zellen zu hepatoblastenähnlichen Zellen. 

„Molecular Farming“ für die Organoid-Forschung: Tierfreie Wachstumsfaktoren von ORF Genetics

Für die Bereitstellung hochwertiger Wachstumsfaktoren und Zytokine setzt unser Partner ORF Genetics mit der ISOkine-Produktlinie auf das sogenannte „Molecular Farming“. Dabei werden die rekombinanten Proteine in den Samen von Gerstenpflanzen produziert. Die Kultivierung erfolgt in einem modernen Gewächshaussystem auf isländischen Lavafeldern mit Vulkanerde, das vollständig mit geothermischer Energie betrieben wird.

Für die Organoid-Forschung bietet dieses Produktionsverfahren entscheidende Vorteile. Da die Herstellung in einem pflanzlichen Expressionssystem erfolgt, sind die ISOkine-Wachstumsfaktoren von Natur aus frei von tierischen Komponenten und eignen sich besonders für definierte, xeno-freie Zellkulturanwendungen. Zudem werden die Produkte standardmäßig auf bakterielle Endotoxine geprüft und jede Charge hinsichtlich ihrer biologischen Aktivität umfassend charakterisiert. Das Ergebnis sind hochreine, zuverlässig reproduzierbare Wachstumsfaktoren mit konsistenter biologischer Aktivität – wichtige Voraussetzungen für standardisierte Organoidmodelle [7].

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Der Weg von einer einzelnen Stammzelle hin zu einem rhythmisch schlagenden Herzorganoid mit eigenem Immunsystem zeigt eindrucksvoll, welches Potenzial moderne Biomedizin heute bietet. Organoide eröffnen völlig neue Möglichkeiten, menschliche Entwicklungsprozesse zu verstehen, Krankheiten realistischer zu modellieren und innovative Therapien gezielter zu entwickeln. Damit solche komplexen 3D-Zellkultursysteme zuverlässig funktionieren, sind jedoch präzise definierte und qualitativ hochwertige Zellkulturkomponenten unverzichtbar. Maßgeschneiderte Matrizes wie die iMatrix-Produkte von Amsbio sowie rekombinante Wachstumsfaktoren und Zytokine von ORF Genetics schaffen die kontrollierten Bedingungen, die für reproduzierbare und leistungsfähige Organoidmodelle erforderlich sind.

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Quellen

[1] https://www.fraunhofer.de/de/presse/presseinformationen/2025/mai-2025/miniherzen-herzorganoide-mit-immunsystem.html, 19.07.2026

[2] https://de.wikipedia.org/wiki/Organoid, 19.07.2026

[3] https://www.drze.de/de/forschung-publikationen/im-blickpunkt/stammzellen/module/organoide, 19.07.2026

[4] https://www.eurostemcell.org/de/organoide-was-sind-organoide-und-wie-helfen-sie-der-regenerativen-medizin, 19.07.2026

[5] https://www.helmholtz-hzi.de/media-center/newsroom/news-detailseite/mini-organe-fuer-die-medizin-der-zukunft/, 19.07.2026

[6] https://www.amsbio.com/imatrix-recombinant-laminin-series/, 20.07.2026

[7] https://www.orfgenetics.com/products/isokine, 20.07.2026

Preview-Bild: https://www.amsbio.com/organoid-growth-harvesting-storage/