Sowohl bei chronisch-entzündlichen Darmerkrankungen (CED) als auch bei Kolorektalen Karzinomen (KRK) sind morphologische und funktionale Veränderungen des intestinalen Epithels nachweisbar, die pathogenetisch bisher jedoch nicht vollständig geklärt sind. Bisherige 2D-in-vitro-Kulturen humaner intestinaler Epithelzellen (IEC) spiegeln die komplexe in-vivo-Situation nur eingeschränkt wider. Das kürzlich etablierte Organoidmodell ermöglicht die erfolgreiche Kultivierung primärer IEC von individuellen Patienten in in-vivo-ähnlicher 3D-Zellstruktur. Aufgrund mangelnder Standardisierung der Organoid-Kulturprotokolle sind die Ergebnisse verschiedener Arbeitsgruppen derzeit jedoch kaum untereinander vergleichbar.

Ziel dieser Arbeit war im ersten Schritt die Etablierung eines standardisierten Kulturprotokolls für intestinale epitheliale 3D-Organoide, um im zweiten Schritt epithelspezifische Unterschiede zwischen Kontroll- und CED- bzw. KRK-Organoidlinien (OL) molekular- und zellbiologisch zu charakterisieren.

Im ersten Teil dieser Arbeit wurden Kulturdauer, Zeitpunkt des Mediumwechsels, Zelldichte und Passagenzahl für die standardisierte Organoidkultur optimiert, um übermäßige Differenzierung und Apoptose zu vermeiden.

Im zweiten Teil der Arbeit konnten in Colitis ulcerosa (CU)- und KRK-Organoiden inflammatorische bzw. tumorspezifische Modifikationen nachgewiesen werden. Im Vergleich zu ‚gesunden‘ Kontroll-OL war der Becherzell-Anteil in CU-OL signifikant reduziert und konnte weder durch gezielte Ausdifferenzierung noch durch bakterielle oder proinflammatorische Stimulationen erhöht werden. CU-Organoide zeigten einen erhöhten Anteil an zellulärer DNA-Schädigung und bildeten bei Langzeitkultur vermehrt Sphäroide, bestehend aus einem abgeflachten, undifferenzierten Epithel-Monolayer. Diese Beobachtungen deuteten auf eine endogene Differenzierungsstörung der intestinalen Stammzellen bei CU hin. Des Weiteren wiesen CU-Organoide funktional eine erhöhte Barriere-Permeabilität und eine reduzierte antimikrobielle Abwehr auf. Die Ergebnisse der spezifischen TLR2-Stimulation mittels Pam₃Cys-SK4 legen nahe, dass der Barriere-protektive Effekt in CU-OL aufgrund einer TLR2-Dysfunktion signifikant eingeschränkt war.

In KRK-OL wurden tumorcharakteristisch geringe Differenzierungsgrade, Verluste der regelrechten Kryptenstruktur und invasives Wachstum nachgewiesen. Die individuellen Expressionsprofile der mit Multi-Drug-Resistenz assoziierten ABC-Transportergene blieben ex-vivo homolog zur in-vivo-Expression erhalten. Die patientenindividuelle Chemosensitivität der einzelnen KRK-OL gegenüber Paclitaxel ließ sich jedoch nicht eindeutig auf Modulationen des Expressionsprofils zentraler ABC-Transporter zurückführen. In einem ‘proof-of-principle‘-Ansatz konnte gezeigt werden, dass Probiotika (am Beispiel von lebenden und hitzeinaktivierten Lactobacillus rhamnosus GG) die Anti-Tumor-Wirkung von Chemotherapeutika patientenindividuell sowohl verstärken als auch abschwächen können.

Zusammenfassend ist die standardisierte Organoidkultur ein vielversprechendes epitheliales 3D-Modell, in dem die krankheitsspezifischen Charakteristika von CU und KRK patientenindividuell erhalten bleiben und im Detail analysiert werden können. Die Heterogenität der Erkrankungen spiegelte sich in den untersuchten Organoid-Kollektiven wider. Zukünftig könnten humane intestinale Organoidkulturen in der personalisierten Medizin und bei der Therapie-Entwicklung eingesetzt werden. Um die komplexe in-vivo-Situation zukünftig besser modellieren zu können, sollte das ex-vivo-Organoidmodell jedoch in Hinblick auf Immunzell- und Mikrobiom-Interaktionen weiterentwickelt werden.