Jens Schwamborn: Mini-Gehirne gegen Parkinson

Jens Schwamborn: Mini-Gehirne gegen Parkinson Im Jahr 2019 gründete Prof. Jens Schwamborn mit seinem Kollegen Javier Jarazo OrganoTherapeutics, quasi ein Spin-off-Unternehmen der Unversity of Luxembourg. Das Hauptaugenmerk von OrganoTherapeutics liegt auf der Entwicklung und Anwendung von in vitro gezüchteten Hirnorganoiden, die zur Erforschung und Testung von Wirkstoffen gegen Morbus Parkinson dienen. Das Herausragende an diesem Modell ist dabei, dass es auch zur Erforschung von anderen Krankheiten anwenden lässt. Auch die Menge an Tierversuche könnte durch das Hirnorganoid-Modell verringert werden.

Jens Schwamborn, Neurowissenschaftler
Das innovative Forschungsmodell von OrganoTherapeutics
Mini-Brains im Kampf gegen SARS-CoV2
Der Forschung mittels Hirnorganoiden gehört die Zukunft

JENS SCHWAMBORN, NEUROWISSENSCHAFTLER

Nach seinem Studium der Chemie und Biochemie promovierte Jens Schwamborn im Fach Biologie. Erste praktische Erfahrungen sammelte er durch die Mitarbeit bei diversen Projekten, bevor er seine eigene Forschungsgruppe gründete. Bei der Erforschung von neurologischen Krankheiten wie Parkinson stellte sich immer wieder das Problem, dass nicht vor Ort im Gehirn des Patienten geforscht werden kann, wo die Krankheit direkt angreift. Jens Schwamborn entwickelte daher mit OrganoTherapeutics ein innovatives Forschungsmodell, das mit Hilfe kleiner Hirnorganoiden eine Forschung direkt da ermöglicht, wo die Krankheit ansetzt. Auf Dauer soll so eine wirksame medikamentöse Behandlung für die Parkinson-Krankheit gefunden werden.

DAS INNOVATIVE FORSCHUNGSMODELL VON ORGANOTHERAPEUTICS

In vitro entwickelten Jens Schwamborn und OrganoTherapeutics aus Stammzellen Mini-Gehirne, die das abbilden – jenen Bereich im Gehirn, der von der Parkinson-Krankheit betroffen ist. Diese Hirnorganoiden wurden direkt aus zu Stammzellen umgewandelten Hautzellen von Parkinson-Patienten entwickelt und können daher einerseits die Komplexität des menschlichen Gehirns und andererseits die Pathologie von Morbus Parkinson darstellen. Für Jens Schwamborn und sein Team bildet dieses Modell die perfekte Ausgangsbasis für Forschungen und Tests, denn es kann davon ausgegangen werden, dass Stoffe, die an diesen Mini-Gehirnen positiv wirken, dies mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit auch tatsächlich im menschlichen Gehirn tun werden.

MINI-BRAINS IM KAMPF GEGEN SARS-COV2

Zahlreiche Studien implizieren inzwischen, dass das Corona-Virus SARS CoV2 nicht nur die Atemwege angreift, sondern dass es auch das zentrale Nervensystem befallen und neurologische Schäden anrichten kann. Für Jens Schwamborn war dies ein Ansatz, um in einer von der luxemburgischen Regierung unterstützten Kooperation mit dem Luxembourg Institute of Health (LIH) und DeepBioInsights an Hirnorganoiden das Coronavirus zu erforschen. Hierzu werden Mini-Gehirne unter größtmöglichen Schutzmaßnahmen mit SARS-CoV2 infiziert, so dass erforscht werden kann, wie das Virus genau neurologisch angreift und welche Stoffe dagegen wirksam sein können.

DER FORSCHUNG MITTELS HIRNORGANOIDEN GEHÖRT DIE ZUKUNFT

Die Arbeit an Hirnorganoiden ist für Jens Schwamborn das Forschungsmodell der Zukunft, das dazu dienen kann, wirksame Medikamente für momentan nicht oder nur sehr schwer behandelbare Krankheiten zu finden. Der Markt an Herstellern von Hirnorganoiden wächst bereits, wobei Jens Schwamborn betont, dass OrganoTherapeutics an Mittelhirn-Organoiden arbeitet und mit seiner Forschung an der Parkinson-Krankheit ein Alleinstellungsmerkmal hat. Die jahrelange Erfahrung macht die Technologie bereits zu einer sehr fortgeschrittenen und vielfältig einsetzbaren Methode. Die Unterstützung computergesteuerter Analysealgorithmen ist ebenfalls bereits so ausgereift, dass die erzielten Ergebnisse sich als immer wertvoller für die Forschung und die Entwicklung neuer Medikamente erweisen – ein Umstand, der Jens Schwamborn zuversichtlich macht, dass die Forschung mittels Hirnorganoiden helfen kann, in Zukunft sehr viele Krankheiten zu heilen.

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Jens Schwamborn
Avenue des Hauts-Fourneaux 6A

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Jens Schwamborn: Medikamente zur Bekämpfung von Corona umnutzen

Jens Schwamborn: Medikamente zur Bekämpfung von Corona umnutzen OrganoTherapeutics, das von Jens Schwamborn und Javier Jarazo in Luxemburg gegründete Unternehmen, ist ein Spin-off der Universität Luxemburg. Das eigentliche Ziel ist es, Medikamente zur Behandlung von Parkinson zu entwickeln. Hierfür werden in vitro Hirnorganoiden, sogenannte Mini-Brains, gezüchtet. Als sich im Zuge der aktuellen Corona-Forschung herauskristallisierte, dass SARS-CoV2 sich nicht nur auf die Atemwege auswirkt, kam das Team um Jens Schwamborn zu dem Schluss, dass ihre Mini-Gehirne ein geeignetes Werkzeug zur Entwicklung neuer Wirkstoffe sein können, die spezifisch auf die neurologischen Aspekte einer Infektion mit dem Virus Einfluss nehmen. Um hier die Forschung schnell vorantreiben zu können, arbeitet OrganoTherapeutics mit dem Luxembourg Institute of Health (LIH) und DeepBioInsights zusammen. Das Projekt wird von der luxemburgischen Regierung unterstützt.

SARS-CoV2 greift potentiell das Gehirn an
Weitere Angriffspunkte von SARS-CoV2
Forschung und Testreihen mit den Mini-Gehirnen von OrganoTherapeutics
Die Erweiterung des Modells für die SARS-CoV2-Forschung

SARS-CoV2 GREIFT potentiell DAS GEHIRN AN

In Wuhan wurden mit 214 an SARS-CoV2 erkrankten Patienten Untersuchungen angestellt, welche ergaben, dass 78 von ihnen außer den bereits bekannten Atemwegsproblemen auch neurologische Auffälligkeiten aufwiesen. Dabei gab es keinen Unterschied, ob die Krankheitsverläufe schwerer waren oder weniger schwer. Bereits bei früheren Versuchen mit SARS-CoV1 war aufgefallen, dass einige Bereiche im menschlichen Gehirn neuronale Verluste aufwiesen. Auch wurde bei den verwandten Coronaviren SARS-CoV und MERS-CoV eine neurologische Auswirkung festgestellt. Für Jens Schwamborn war der Gedanke entsprechend naheliegend, dass auch SARS-CoV2 nicht nur das Atemwegssystem, sondern eventuell auch das Gehirn angreift.

WEITERE ANGRIFFSPUNKTE VON SARS-CoV2

Jens Schwamborn erläutert weiter, dass das Virus zwar durchaus die Zellen des Atemwegssystems befällt, aber es ist sogar im persistenten Stuhl der SARS-CoV2-Patienten nachweisbar, was darauf hinweist, dass der Darm ebenfalls befallen werden kann. Die Auswirkungen sind hier nicht allzu gravierend, doch bedeutet dies, dass das Virus in der Lage ist, sich in Arten von Zellen und Geweben festzusetzen und dort zu vermehren. Auch in den Nieren und der Leber von Infizierten konnte SARS-CoV2 nachgewiesen werden. Betroffen waren hier in der Studie vor allem Patienten mit Bluthochdruck, Herzerkrankungen und Diabetes. Jens Schwamborn spricht im Allgemeinen von zwei Wegen, über die das Virus in das zentrale Nervensystem vordringen kann: über das Blut und über eine neuronale Verbreitung.

FORSCHUNG UND TESTREIHEN MIT DEN MINI-GEHIRNEN VON ORGANOTHERAPEUTICS

Die Hirnmodelle, welche Jens Schwamborn mit OrganoTherapeutics züchtet, können sich in der Corona-Forschung als hilfreich erweisen. Das Modell wurde ursprünglich zur Erforschung von Parkinson und zum Testen von Wirkstoffen gegen diese Krankheit entwickelt, doch lässt es sich leicht modifizieren, um auch im Kampf gegen Corona bei der Untersuchung von SARS-CoV2 und zum Testen möglicherweise wirksamer Substanzen eingesetzt werden zu können.

Im ersten Schritt werden Hirnorganoiden gezüchtet. Dies erfolgt durch eine Entnahme von Hautzellen, aus denen Stammzellen gezüchtet werden, die wiederum zu Hirnzellen weiterentwickelt werden. Hier macht sich die große Erfahrung bezahlt, die Jens Schwamborn und OrganoTherapeutics bereits seit Jahren mit ihrer Entwicklung von Mini-Gehirnen sammelten. Sobald diese Hirnorganoiden vollständig entwickelt sind, werden sie an das Luxembourg Insitute of Health weitergegeben, wo sie in Hochsicherheitslaboren und größtmöglichen Schutzbedingungen mit SARS-CoV2 infiziert werden. Nach Abschluss dieser Behandlung werden die Mini-Gehirne einer weiteren Prozedur unterzogen, die das Virus inaktiviert. Nur so kann ein gefahrenfreier Rücktransport zu OrganoTherapeutics gewährleistet werden, erklärt Jens Schwamborn.

Der zweite Schritt besteht darin, dass die mit SARS-CoV2 infizierten Mini-Brains eingehend analysiert werden. Untersucht werden von Jens Schwamborn und seinem Team dabei vor allem das Absterben der Zellen und die Reduzierung der neuronalen Funktion in den Mini-Gehirnen. Hier kommen Hochdurchsatz-Mikroskope und leistungsstarke Computer-Cluster zum Einsatz, verrät Jens Schwamborn. Die so gewonnenen Daten können zeigen, welche Veränderungen der Gene die Virusinfektion ausgelöst hat.

Das Modell der Mini-Brains zeigt nicht nur für die Corona-Forschung neue, bisher nicht dagewesene Möglichkeiten auf, es kann sich auch in anderen Forschungsbereichen von großem Nutzen erweisen.
Auch weitere Zelltypen, die mit den Neuronen interagieren, können auf diese Weise berücksichtigt werden, indem sie mit in die Mini-Gehirne eingebunden werden. So wird es möglich, weitere Erkenntnisse über die neuronalen Abläufe im menschlichen Gehirn zu gewinnen, so dass möglicherweise langfristig eine wirksame Therapie gegen Parkinson und auch gegen andere Krankheiten gefunden werden kann, ist sich Jens Schwamborn sicher. Die Mini-Gehirne ermöglichen es, Forschung da zu betreiben, wo aus ethischen Gründen der Wissenschaft bislang Grenzen gesetzt waren.

DIE ERWEITERUNG DES MODELLS FÜR DIE SARS-CoV2-FORSCHUNG

Die Zusammenarbeit mit DeepBioInsights ermöglicht es Jens Schwamborn und OrganoTherapeutics, in der Forschung mit ihren Hirnorganoiden noch zwei Schritte weiter zu gehen:

Beim sogenannten Drug Repurposing werden bereits bekannte und in anderen Bereichen angewendete Medikamente mithilfe von künstlicher Intelligenz zur Anwendung gegen SARS-CoV2 getestet. Statt eines üblichen Screenings greift man bei OrganoTherapeutics auf den von DeepBioInsights entwickelten Ansatz der künstlichen Intelligenz zurück, um zu wesentlich schnelleren und präziseren Ergebnissen zu gelangen. Auf diese Weise können mit den Hirnorganoid-Modellen einige wenige Moleküle gefunden werden, die in der Folge experimentell gegen das Coronavirus eingesetzt werden.

Neue Mini-Gehirne werden gezüchtet und wieder am Luxembourg Institute of Health mit SARS-CoV2 infiziert. Jedoch erfolgt dann, ebenfalls am LIH, eine Gabe der in Frage kommenden Wirkstoffe, um die mit SARS-CoV2 infizierten Mini-Gehirne auf diese Weise zu behandeln. Sobald diese Hirnorganoiden wieder bei OrganoTherapeutics eingetroffen sind, wird mit der Analyse zur Wirkung der Behandlung mit den Wirkstoffen begonnen. Hier werden hoffentlich sehr bald geeignete Verbindungen identifiziert, aus denen sich Medikamente zur Behandlung der neurologischen Aspekte von SARS-CoV2 entwickeln lassen, so Jens Schwamborn.

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Jens Schwamborn: Mini-Gehirne als Alternative zu Tierversuchen

Jens Schwamborn: Mini-Gehirne als Alternative zu Tierversuchen Seit 2019 verwenden Prof. Jens Schwamborn, Mitbegründer des luxemburgischen Unternehmens OrganoTherapeutics, Mini-Gehirne, an denen Wirkstoffe für Medikamente getestet werden. Was zunächst zur Erforschung der Parkinson-Krankheit gedacht ist, kann außerdem in vielfältigster Weise zum Einsatz kommen – ganz aktuell forscht Jens Schwamborn zum Beispiel auch am Corona-Virus SARS-CoV2, um zur Entwicklung einer wirksamen Behandlung beizutragen. Das Besondere an diesem Forschungsmodell ist, dass es zur Reduzierung der Menge an Tierversuchen beitragen kann. Was kann man sich unter den „Mini-Brains“ vorstellen?

Wozu dient dieses Forschungsmodell?
Warum werden aktuell immer noch Tierversuche durchgeführt?
Inwiefern können Mini-Gehirne dazu beitrage Tierversuche zu reduzieren?

WAS KANN MAN SICH UNTER DEN „MINI-BRAINS“ VORSTELLEN?

Mini-Brains, in der Fachsprache Hirnorganoide genannt, sind aus menschlichen Stammzellen gezüchtete Zellkulturmodelle. Jens Schwamborn und sein Team forschen vorrangig an der Parkinson-Krankheit, weswegen zur Kultivierung von Stammzellen zunächst Hautzellen von Parkinson-Patienten entnommen werden. Dies bedeutet, dass das so entwickelte Mini-Gehirn die Anlagen fuer Parkinson bereits in sich trägt. Dabei handelt es sich jedoch nicht um voll entwickelte Gehirne, verrät Jens Schwamborn, sondern nur um für die Forschung relevante minimale Komponenten des menschlichen Gehirns – die jedoch mit denen im Körper einige Gemeinsamkeiten aufweisen.

WOZU DIENT DIESES FORSCHUNGSMODELL?

Die Mini-Gehirne dienen dazu, eine Möglichkeit zu schaffen, um Wirkstoffe zu testen. Die Forschung kann auf diese Weise direkt an der Krankheit und den betroffenen Stellen stattfinden. Für Jens Schwamborn ist dieses Modell zur Erforschung von Krankheiten besonders gut geeignet, weil neben Parkinson auch andere Krankheiten so erforscht werden können. Statt der Hautzellen von Parkinson-Patienten kann man die von an anderen Krankheiten leidenden Patienten hernehmen oder die aus gesunden Hautzellen gezüchteten Stammzellen mit Krankheiten infizieren, wie Jens Schwamborn und OrganoTherapeutics es aktuell in Kooperation mit anderen Labors zur Erforschung von Wirkstoffen gegen SARS-CoV-2 praktizieren.

WARUM WERDEN AKTUELL IMMERNOCH TIERVERSUCHE DURCHGEFÜHRT?

Das menschliche Gehirn ist eine immens komplexe Struktur, erklärt Jens Schwamborn. Daher ist und bleibt es stets eine Herausforderung, seine Entwicklungsprozesse und die in ihm passierenden neurologischen Störungen zu verstehen und nachzuvollziehen. Bislang sah man sich daher in der Forschung gezwungen, diverse Versuche an Tieren anzustellen, weil es sonst keinerlei Möglichkeiten gab, die neurologische Entwicklung des Gehirns und mögliche Erkrankungen desselben zu untersuchen. Jedoch eignen sich tierische Gehirne nur bedingt, um diese Situationen exakt abzubilden, denn sie entsprechen natuerlich nicht exakt einem menschlichen Gehirn . Es besteht also neben der ethischen Problematik ein rein wissenschaftlicher Bedarf an Labormodellen, welche die Tierversuche ersetzen können, so dass die Forschung Krankheitsmechanismen besser verstehen lernen kann, betont Jens Schwamborn.

Inwiefern können Mini-Gehirne dazu beitrage Tierversuche zu reduzieren?

Die Hirnorganoiden besitzen dreidimensionale, dem menschlichen Gehirn ähnliche Strukturen, welche sich sehr ähnlich verhalten wie die Zellen im tatsächlichen menschlichen Mittelhirn. Sie können sogar Signale aussenden und verarbeiten, berichtet Jens Schwamborn. In Tierversuchen lassen sich die Verhaltensweisen des menschlichen Gehirns oft nicht so exakt abbilden wie bei Versuchen und Tests an den Mini-Gehirnen, weswegen die hier gefundenen Wirkstoffe eine wesentlich größere Wahrscheinlichkeit bieten, im Körper des Menschen genau so zu helfen, wie sie es in der Laborumgebung tun. Das Forschungsmodell der Mini-Gehirne koennte neue Erkenntnisse liefern die wir in Tierversuchen vielleicht nicht gefunden haetten und damit dazu beitragen die Menge an Tierversuchen zu reduzieren, erklärt Jens Schwamborn.

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Jens Schwamborns 3D-Mini-Gehirne helfen im Kampf gegen das Corona-Virus

Jens Schwamborns 3D-Mini-Gehirne helfen im Kampf gegen das Corona-Virus Prof. Jens Schwamborn ist Mitbegründer von OrganoTherapeutics, einem Ableger der University of Luxembourg / Luxembourg Centre for Systems Biomedicine (LCSB). Gemeinsam mit seinem Partner Javier Jarazo entwickelt er 3D-Mini-Gehirne aus Stammzellen von Parkinson erkrankten Menschen. Diese Mini-Hirne sollen bei der Entwicklung und Erforschung neuer Medikamente gegen Parkinson helfen. Die luxemburgische Regierung unterstützt das Unternehmen jetzt, um die Technologie auch im Kampf gegen SARS-CoV2 einzusetzen und die Forschung nach einem Wirkstoff gegen das Virus voranzutreiben. Im Folgenden erklärt Jens Schwamborn

was man unter 3D-Mini-Gehirnen verstehen kann
wo SARS-CoV2im Körper angreift
warum die Minihirne die Corona-Forschung weiterbringen können
wie die Minibrains im Kampf gegen SARS-CoV2 eingesetzt werden
was Drug Repurposing bedeutet

WAS MAN UNTER 3D-MINI-GEHIRNEN VERSTEHEN KANN

Jens Schwamborn hat mit OrganoTherapeutics das Ziel, neue Therapien zu entwickeln, die das Absterben von Nervenzellen und Nervenfasern bei bestimmten Krankheiten verhindern. So soll der Verlauf einer Krankheit verlangsamt werden, damit die Lebensqualität der Betroffenen immens erhöht werden kann. Dabei setzt die neuentwickelte Forschung direkt an den Nervenzellen an.
Jens Schwamborn beschreibt das Verfahren so: zunächst werden von Patienten lebende Hautzellen entnommen. Die Forschung von OrganoTherapeutics konzentriert sich dabei eigentlich auf Parkinson-Patienten. Die entnommenen Hautzellen werden mit verschiedenen Substanzen behandelt und auf diese Weise in Stammzellen umgewandelt. Aus diesen lassen sich dann weitere Zelltypen bilden, zum Beispiel Neuronen. Da die Parkinson-Krankheit hier ansetzt, ist die Gewinnung von Neuronen zur Erforschung der Erkrankung essenziell. Diese Nervenzellen können zu 3D-Organoid-Strukturen, Mini-Gehirne genannt, weiterentwickelt werden. Jens Schwamborn fügt hinzu, dass sich auf diese Weise zwar kein echtes menschliches Gehirn nachbauen lässt, aber die so gewonnenen Nervenzellen weisen im Vergleich zu einem vollständigen Gehirn viele strukturelle Ähnlichkeiten auf. Deswegen lässt sich an diesen Mini-Gehirnen testen, ob und wie Wirkstoffe helfen können, die Ausbreitung von Parkinson im Körper zu verhindern.

WO SARS-COV2 IM KÖRPER ANGREIFT

Um wirksame Medikamente gegen das Virus zu entwickeln zu können, muss man zunächst herausfinden, wo im Körper SARS-CoV2 überhaupt angreift, erläutert Jens Schwamborn. Untersuchungen von am Corona-Virus Erkrankten und Autopsien von an Corona Verstorbenen ergaben, dass SARS-CoV2 nachweislich in einigen Faellen auch das zentrale Nervensystem und das Gehirn angreift. Der Darm wird ebenfalls befallen, was darauf hindeutet, dass das Virus fähig ist, bestimmte Sorten von Zellen und Gewebe zu infizieren und sich dort zu vermehren. Außerdem infiziert SARS-CoV-2 die Niere oder Leber und kann sich dort vermehren. Vor allem Patienten mit Bluthochdruck, Herzerkrankungen und Diabetes sind davon betroffen.

WARUM DIE MINIHIRNE DIE CORONA-FORSCHUNG WEITERBRINGEN KÖNNEN

Da man es mittlerweise als erwiesen ansehen kann, dass SARS-CoV2 sich nicht ausschließlich auf das Atmungssystem beschränkt, sondern den Körper auch neurologisch angreift, wurden Jens Schwamborn und sein Team von OrganoTherapeutics hellhörig. Die von ihnen entwickelten Hirnorganoid-Modelle können hier ansetzen und genauso gut zur Forschung gegen SARS-CoV2 eingesetzt werden, wie sie bereits bei der Suche nach Wirkstoffen gegen Parkinson verwendet werden. Dafuer werden im beschriebenen Verfahren Hautzellen in Stammzellen umgewandet und dann in Minihirne differenziert, diese werden dann mit SARS-CoV2 infiziert. An disesen werden denen Wirkstoffe getestet, die speziell auf die neurologischen Aspekte einer SARS-CoV 2-Infektion abzielen. Für dieses wichtige und dringende Projekt, welches von der luxemburgischen Regierung unterstützt wird, arbeiten OrganoTherapeutics, das Luxembourg Institute of Health (LIH) und DeepBioInsights in enger Kooperation zusammen, erklärt Jens Schwamborn.

WIE DIE MINIBRAINS IM KAMPF GEGEN SARS-COV2 EINGESETZT WERDEN

Die 3D-Mini-Gehirne von OrganoTherapeutics eigenen sich besonders gut zur Untersuchung der SARS-CoV2-Infektion und dazu, bestimmte Substanzen zu testen, erläutert Jens Schwamborn. Außerdem könnten sie sich hilfreich erweisen, wenn es darum geht, neue Wirkstoffe gegen das Virus zu finden.
Im ersten Schritt werden Minigehirne von OrganoTherapeutics generiert und dann amem Luxembourg Institute of Health mit SARS-CoV2 infiziert. Jens Schwamborn merkt an, dass das LIH diesen Schritt deswegen übernimmt, weil hierfür ein Labor mit einer besonders hohen biologischen Schutzstufe vonnöten ist, da man das Virus nicht weiter in Umlauf und an ihm arbeitende Menschen in Gefahr bringen möchte. Aus diesem Grund werden die Hirnorganoide nach der Infektion einer Behandlung zur Inaktivierung des Virus unterzogen, damit ein gefahrenfreier Rücktransport zu OrganoTherapeutics gewährleistet werden kann.
Im nächsten Schritt werden das von SARS-CoV2 verursachte Absterben der Zellen und die Reduzierung der neuronalen Funktionen erforscht. Hier kommen Hochdurchsatz-Mikroskope und leistungsstarke Computer-Cluster zum Einsatz, verrät Jens Schwamborn. Die so erhaltenen Daten helfen dabei, zu bestimmen, welche genetischen Veränderungen die Virusinfektion ausgelöst hat.

WAS DRUG REPURPOSING BEDEUTET

Für die SARS-CoV2-Forschung hat Jens Schwamborn mit OrganoTherapeutics das ursprüngliche Modell zur Forschung mit Minibrains erweitert. Hier geht es im Wesentlichen darum, nun in einem weiteren Schritt eine Möglichkeit zu entwickeln, bereits bekannte Medikamente mit Wirkstoffen gegen andere Krankheiten umzunutzen und umzuwandeln, so dass sie gegen das SARS-CoV2- Virus erfolgreiche eingesetzt werden können, das sogenannte Drug Repurposing. Hier kommt ein Ansatz der künstlichen Intelligenz zum Einsatz, der von DeepBioInsights entwickelt wurde – für Jens Schwamborn eine wichtige und vielversprechende Kooperation. Deswegen ist er sehr zuversichtlich, dass auch am Hirnorganoid-Modell einige Moleküle benannt werden können, die dann experimentell als Wirkstoff gegen das Corona-Virus getestet werden können. Dazu erhält OrganoTherapeutics von DeepBioInsights eine Liste mit möglichen Wirkstoffen, die nach dem Einsatz ihres künstlichen Intelligenz-Modells als mögliche Kandidaten erachtet werden, SARS-CoV2 zu bekämpfen. Jens Schwamborn und sein Team von OrganoTherapeutics testen diese Wirkstoffe wieder in Kooperation mit dem Luxembourg Institute of Health sodann an ihren mit SARS-CoV2 infizierten Hirnorganoidmodellen. In der Folge beginnt dann eine Analyse der Wirksamkeit der eingesetzten Stoffe. Wenn hier Verbindungen identifiziert werden, welche als geeignet betrachtet werden können, so kann man nicht nur gegen andere Krankheiten bereits vorhandene Medikamente einsetzen, es lassen sich aus diesen Wirkstoffen auch ganz neue Medikamente entwickeln, die letztlich den Menschen helfen können, den Kampf gegen SARS-CoV2 zu gewinnen, so Jens Schwamborn abschließend.

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Jens Schwamborn: Mit Mini-Gehirnen Parkinson auf der Spur

Jens Schwamborn: Mit Mini-Gehirnen Parkinson auf der Spur Prof. Jens Schwamborn hat sich als Neurowissenschaftler dem Bereich der Stammzellenforschung gewidmet und entwickelt mit OrganoTherapeutics Mini-Gehirne, die dabei helfen sollen, Wirkstoffe und Medikamente gegen Parkinson zu finden. OrganoTherapeutics ist ein in Luxemburg ansässiges Unternehmen, das Jens Schwamborn im Jahr 2019 gemeinsam mit seinem Partner Javier Jarazo als Ableger der University of Luxembourg / Luxembourg Centre for Systems Biomedicine (LCSB) gründete. Hier werden 3D-Mini-Gehirne aus Stammzellen von an Parkinson erkrankten Menschen entwickelt. Diese Minibrains sollen der Forschung und Entwicklung neuer, wirksamer Medikamente gegen Parkinson helfen. Wie die kleinen Gehirne arbeiten und wie genau sie eingesetzt werden können, beantwortet Jens Schwamborn im Folgenden:

Was ist Parkinson und wie äußert sich die Krankheit?
Wie wird Parkinson derzeit behandelt?
Worin liegt der Ansatz von OrganoTherapeutics?
Wie gestaltet sich die Forschung mit Mini-Gehirnen?
Was kann dieses Modell für die Forschung leisten?

WAS IST PARKINSON UND WIE ÄUSSERT SICH DIE KRANKHEIT?

Bei Morbus Parkinson handelt es sich um eine Erkrankung des Gehirns. Eine kleine Gruppe von Zellen im Gehirn, genauer gesagt im Bereich der Substantia nigra, wird durch die Krankheit geschädigt und stirbt ab, beschreibt Jens Schwamborn die Vorgänge im Körper. Diese Zellen sind aber für die Produktion des chemischen Stoffes Dopamin zuständig, was zur Folge hat, dass der Körper nur noch wenig oder gar kein Dopamin mehr produzieren kann. Dopamin wiederum ist ein sogenannter Botenstoff. Er wird zur Steuerung von Körperbewegungen benötigt. Daher hat ein Mangel oder das Nichtvorhandensein von Dopamin im Körper sehr schwere Folgen: das typische Parkinson-Zittern gehört genauso dazu wie Sprachstörungen und eine Steifheit der Muskeln in Armen und Beinen. Die Bewegungen werden allgemein langsamer, die Körperhaltung wird zunehmend unsicher. Bis die Symptome jedoch tatsächlich sichtbar werden, kann es Jahre dauern. Das macht eine Diagnostik schwierig.
Die Ursache, weshalb bei Morbus Parkinson Zellen absterben, ist bisher nicht bekannt, erläutert Jens Schwamborn, weswegen eine Heilung der Krankheit derzeit noch nicht möglich ist. Es gibt auch keine Immunität gegen Parkinson, jeder kann eines Tages daran erkranken. Überwiegend sind es Männer und Frauen, die älter als 50 Jahre sind, aber auch jüngere Menschen können durchaus an Parkinson erkranken.

WIE WIRD PARKINSON DERZEIT BEHANDELT?

Da Parkinson derzeit noch als eine degenerative, unheilbare Krankheit gilt, kann dem betroffenen Patienten lediglich eine Kombination von Medikamenten verabreicht werden, welche die Symptome zumindest zeitweise lindern können. Jens Schwamborn weist darauf hin, dass diese allerdings das Fortschreiten der Krankheit nicht dauerhaft aufhalten können. Im Frühstadium der Krankheit kommen einige Patienten, die nur leichte Symptome aufweisen, noch ohne Medikamente aus, später werden vor allem Levodopa oder Dopaminagonisten verabreicht. Ersteres wird im Gehirn zu Dopamin umgewandelt, während Dopaminagonisten Rezeptoren in den Nervenzellen anregen, die für die Aufnahme von Dopamin zuständig sind. Viele Menschen sind so wenigstens für einige Jahre weitgehend beschwerdefrei. Jedoch müssen vor allem bei fortgeschrittener Erkrankung immer mehr Medikamente in immer kürzeren Abständen eingenommen werden, was letztlich auch zu massiven Nebenwirkungen führen kann, fügt Jens Schwamborn hinzu. Auch ein operativer Eingriff kann nur die Symptome zeitweise verringen, damit aufhalten lässt sich Parkinson nicht.

WORIN LIEGT DER ANSATZ VON ORGANOTHERAPEUTICS?

Jens Schwamborn und OrganoTherapeutics haben ein klares Ziel vor Augen: neue Wirkstoffe müssen gefunden werden, die das von Parkinson verursachte Absterben von Nervenzellen und Nervenfasern verhindern können. Diese Wirkstoffe müssen direkt an den Nervenzellen ansetzen. Zur Erforschung und Testung dieser Wirkstoffe bedarf es daher eines modernen Modells, das in der Lage ist, das menschliche Gehirn und das zentrale Nervensystem quasi zu simulieren, so dass die Forschung einen Ansatz finden kann, wie Medikamente Symptome dauerhaft lindern oder Parkinson sogar ganz aufhalten können. Bis dahin ist es ein weiter Weg, sagt Jens Schwamborn, aber das Modell der Mini-Gehirne bietet eine Grundlage, welche die Arbeit in der Forschung enorm weiterbringen kann, so dass neue Wirkweisen von Stoffen gefunden werden können.

WIE GESTALTET SICH DIE FORSCHUNG MIT MINI-GEHIRNEN?

Direkt von Patienten, die an Parkinson bereits erkrankt sind, werden lebende Hautzellen entnommen. Durch Behandlung mit verschiedenen Substanzen kann man diese in Stammzellen umwandeln, welche die Ausgangsbasis für das von Jens Schwamborn und OrganoTherapeutics entwickelte Forschungsmodell bilden. Aus diesen Stammzellen können weiter verschiedene Zelltypen gebildet werden, beispielsweise Neuronen. Das sind Zellen, die auf Erregungsleitung und Erregungsübertragung spezialisiert sind und die Aufgabe haben, Reize der Umwelt oder aus dem Inneren des Körpers an das Gehirn zu melden und von diesem Signale entgegenzunehmen. Genau dieser Zelltyp ist zur Erforschung von Parkinson von immenser Wichtigkeit. Deswegen werden Neuronen in Petrischalen gezüchtet, so dass aus ihnen jene 3D-Organoid-Strukturen entwickelt werden können, die schließlich die Mini-Gehirne darstellen. Nicht alle Funktionen eines echten menschlichen Gehirns lassen sich mit diesen Hirnorganoiden darstellen, erläutert Jens Schwamborn, doch ist dies auch nicht erforderlich. Die Minibrains weisen im Vergleich mit einem vollständigen Gehirn genügend Ähnlichkeiten in der Struktur auf, dass sie als Basis für Versuche zur Wirkstoffforschung genauso dienen können wie ein echtes, lebendes menschliches Gehirn.

WAS KANN DIESES MODELL FÜR DIE FORSCHUNG LEISTEN?

Das Modell der Forschung mit Mini-Gehirnen hat den großen Vorteil, dass direkt an Zellen erkrankter Personen geforscht werden kann. Es muss also keine Umgebung simuliert werden, in denen ein Wirkstoff getestet werden kann – es handelt sich quasi um Forschung an Erkrankten, ohne dass diese irgendwelchen Risiken oder Gefahren ausgesetzt werden müssen, indem man ihnen versuchsweise Wirkstoffe verabreicht. Eine exakte Erforschung der Krankheit Morbus Parkinson ist auf diese Weise möglich – und beginnt auch bereits Erfolge zu zeigen: es konnten deutliche phänotypische Unterschiede zwischen den Zellproben eines an Parkinson erkrankten Patienten und denen einer gesunden Person festgestellt werden. Des Weiteren kann durch das 3D-Mini-Gehirn-Modell nicht nur das menschliche Gehirn nach Belieben in teilen seiner komplexen Struktur betrachtet werden, zum Beispiel durch die Konzentration auf die Signalübertragung von Neuronen. Auch weitere Zelltypen, die mit den Neuronen interagieren, können in der Forschung berücksichtigt werden, indem sie mit in die Mini-Gehirne eingebunden werden. Auf diese Weise wird es möglich, weitere Erkenntnisse über die neuronalen Abläufe im menschlichen Gehirn zu gewinnen, so dass möglicherweise langfristig eine wirksame Therapie gegen Parkinson gefunden werden kann, so Jens Schwamborn.

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Luxembourg government supports OrganoTherapeutics project „Drug Repurposing to combat SARS-CoV-2 brain infection“

Luxembourg government supports OrganoTherapeutics project OrganoTherapeutics (OT) was founded by Jens Schwamborn and Javier Jarazo in Luxembourg and focuses on the development of drugs for the treatment of Parkinson’s disease. For this purpose, OrganoTherapeutics models brain organoids in vitro, so-called „mini-brains“. With mounting evidence that SARS-CoV2 is not limited to the respiratory system but also has a negative neurological impact, OrganoTherpeutics concluded that brain organoid models may be a suitable tool for the development of new small molecule drugs. These agents should specifically target the neurological aspects of SARS-CoV 2 infection. OrganoTherapeutics, the Luxembourg Institute of Health (LIH) and DeepBioInsights are collaborating on the project, which is supported by the Luxembourg government.

VIRUS ATTACKS THE BRAIN

Studies of 214 patients from Wuhan who had SARS-CoV-2 infection demonstrated that 78 patients had neurological manifestations. Among them, the manifestations were more frequent in severe disease than in non-severe disease. The cellular receptor ACE2 is responsible for this. This receptor is also produced in the nervous system, explains Jens Schwamborn. The distribution of ACE2 suggests that SARS-CoV-2 can cause neurological manifestations by direct or indirect mechanisms.

With the help of autopsy results, it became clear that the brains of the deceased patients were hyperemic and edematous, and some neurons were severely altered. Earlier experiments with SARS-CoV-1 in mice had already made it clear that several areas in the human brain showed neuronal losses, adds Jens Schwamborn. To this end, the neurological manifestation was also confirmed for infections with the related coronaviruses SARS-CoV and MERS-CoV. Previous studies proved that SARS-CoV and MERS-CoV have neuroinvasive properties and have been shown to be present in the human brain. For this reason, the theory emerged that SARS-CoV-2 infections attack not only the respiratory system but also the brain, especially during severe disease courses. The virus causes several pathological symptoms there, Schwamborn further informs. The reason for this can be physiological, immunological or virological.

SARS-CoV-2 ALSO ATTACKS OTHER ORGANS

Jens Schwamborn tells us that although the virus attacks cells of the respiratory tract in particular, it has also been detected in the persistent stool of patients. According to this, the intestine is also affected, although the severity is not important. This indicates that the virus is capable of infecting and replicating in certain types of cells and tissues. In medical terms, this is also known as extended tropism. In addition, SARS-CoV-2 infects the kidney or liver and can multiply there. Especially patients with

– High blood pressure,
– heart disease and
– diabetes are particularly affected.

In general, the virus enters the central nervous system via two pathways. Via the blood or neuronal retrograde dissemination.

ORGANOTHERAPEUTICS 3D MINI BRAINS FOR EXAMINATION AND TESTING

Because of the close correlation between the brain models and the human brain, OrganoTherapeutics‘ 3D mini-brains could prove useful for studying SARS-CoV-2 infection and testing small-molecule compounds, as well as for developing new agents against the virus, explains Jens Schwamborn. For this purpose, the original model was further developed, which now comprises 4 steps:

1. generation of brain organoids and SARS-CoV2 infection.
2. analysis of organoids infected with SARS-CoV-2
3. drug repurposing with artificial intelligence
4. testing drug candidates

1. GENERATION OF BRAIN ORGANOIDS AND SARS CoV2 INFECTION.
This step will be performed by OrganoTherapeutics and the Luxembourg Institute of Health (LIH). Here, OrganoTherapeutics can benefit from the strong background in brain organoid generation and analysis. Once the brain organoids are fully developed, they will be infected by LIH with SARS-CoV-2 in BSL3 laboratories. After the infection period is complete, the brain organoids undergo treatment to inactivate the virus. This process is also called fixation. This is necessary to allow hazard-free transport back to the OT, Jens Schwamborn discusses.

2. ANALYSIS OF ORGANOIDS INFECTED WITH SARS-CoV-2
The main focus is on cell death and reduction of neuronal function. This study is done with high-throughput microscopes and powerful computer clusters, Jens Schwamborn reveals. The data can be used to determine which changes in genes triggered the viral infection.

3. DRUG REPURPOSING WITH ARTIFICIAL INTELLIGENCE
This is used to repurpose and transform already known drugs from other diseases using artificial intelligence against the SARS-CoV-2. Instead of screening, an artificial intelligence approach developed by DeepBioInsights is used. This model has been used, for example, to run successful drug searches against Alzheimer’s disease. Screening in the brain organoid model will name a few molecules that can then be tested experimentally to fight coronavirus.

4. TESTING DRUG CANDIDATES
To do this, OT will receive a list of potential compounds from DeepBioInsights. These will then be tested in the brain organoid model. New brain organoid models are developed and sent to LIH again. Here, treatment of the infected models with the named agents begins. The treated models are sent back to the OT where effect analysis of the treatment begins. If suitable compounds are identified, drugs can be developed from them, Jens Schwamborn concludes.

OrganoTherapeutics
Jens Schwamborn
Avenue des Hauts-Fourneaux 6A

4365 Esch-sur-Alzette
Luxemburg

E-Mail: jens.schwamborn@organo-therapeutics.com
Homepage: http://organo-therapeutics.com/
Telefon: +4917680774615

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