Aus embryonalen Stammzellen Nervenzellen zu erzeugen, die genau so arbeiten wie im Gehirn des Menschen, das ist in vielen Labors Routine. Was bislang fehlte, war die dritte Dimension. Die Zellen wuchsen als Rasen und bildeten keine gehirnähnlichen Strukturen. Einem Forscherteam vom Institut für Molekulare Biotechnologie der österreichischen Akademie der Wissenschaften in Wien ist das nun gelungen. Madeline Lancaster und ihre Kollegen haben ein neues Verfahren entwickelt, mit dem sie aus Stammzellen gehirnähnliche Strukturen erzeugen.
"Die im Labor gezüchteten Nervenvorläuferzellen geben wir auf ein Gerüst aus Gel – vergleichbar mit einem Wackelpudding. Das Gel gibt den Zellen Halt, und sie bilden eine Gewebe-Struktur. Dieses Gewebe überführen wir dann in einem drehenden Bioreaktor, wo die Zellen weiter wachsen. Durch das ständige Drehen werden die Zellen in diesem Glasgefäß besser mit Nährstoffen und Sauerstoff versorgt als in anderen Zellkulturen oder Bioreaktoren."
Durch die ständige Bewegung im Bioreaktor entsteht in etwa zwei Monaten eine zusammenhängende Struktur mit einem Durchmesser von drei bis vier Millimetern – etwa Erbsengröße. Dann ist Schluss. Größere Strukturen würden nicht mehr ausreichend mit Nährstoffen und Sauerstoff versorgt. Ein Blutgefäßsystem fehlt dem Mini-Gehirn. Es besteht aus Nervenzellen und Gliazellen, die die Nervenzellen unterstützen. Dennoch ist die Nervenstruktur aus dem Bioreaktor mehr als ein Zellklumpen. Einige Nervenzellen bilden untereinander Kontakte und senden Signale hin und her, wie in einem richtigen Gehirn. Sogar bestimmte Gehirnteile entstehen im Bioreaktor wie von selbst: Hirnhäute, Netzhautgewebe oder der Hippocampus – eine Struktur, die im Gehirn Erinnerungen verwaltet. Dennoch sprechen die Forscher nicht von einem Mini-Gehirn, sondern lieber von zerebralen Organoiden: Gehirnartigen Organgebilden. Sie sind längst nicht so komplex aufgebaut wie ein echtes menschliches Gehirn. Als Organersatz sei das Gewebe daher ungeeignet, erklärte der Leiter der Wiener Arbeitsgruppe Jürgen Knoblich bei einer internationalen Telefon-Pressekonferenz.
"Ein natürliches Gehirn ist viel komplizierter aufgebaut als unser Organoid. Es bildet Verbindungen kreuz und quer durch das ganze Gehirn und bis ins Rückenmark. Für die regenerative Medizin sind die Strukturen aus dem Bioreaktor deshalb nicht geeignet. Man kann nicht einfach kranke Strukturen im Gehirn von Patienten mit Gewebe aus dem Bioreaktor reparieren."
Auch wenn die Struktur aus dem Bioreaktor kein wirkliches Mini-Gehirn ist, so lässt sie sich doch für die Medizin nutzen. Die Organoide sind geeignet, um Wirkungen und Nebenwirkungen von Medikamenten auf menschliche Gehirne zu testen. Außerdem lassen sich mit ihnen Gehirn-Entwicklungsstörungen im Labor erforschen. Madeline Lancaster konnte in Wien bereits die Entstehung der Gehirn-Krankheit Mikrozephalie im Bioreaktor untersuchen. Mikrozephalie ist eine Entwicklungsstörung, die zu einem verkleinerten Gehirn und deshalb zu geistiger Behinderung führt.
"Dazu schaute ich mir Organoide an, die wir aus Hautzellen von Patienten mit Mikrozephalie gezüchtet hatten. Aus den Hautzellen der Patienten wurden pluripotente Stammzellen, die sich dann zu Nervenzellen und weiter zu Organoiden entwickelten. Dabei zeigte sich: Die Zellen der Patienten entwickelten sich schneller als Zellen von gesunden Personen. Statt sich langsam von Stammzellen über Vorläuferzellen weiter zu entwickelten, entstanden zu früh fertige Nervenzellen."
Auch kompliziertere Krankheiten wie Schizophrenie oder Autismus wollen die Wiener Forscher mit ihrer Methode erforschen. Ein wirkliches menschliches Gehirn werde dabei in ihrem Bioreaktor nicht entstehen, versichern die Wissenschaftler.
"Die im Labor gezüchteten Nervenvorläuferzellen geben wir auf ein Gerüst aus Gel – vergleichbar mit einem Wackelpudding. Das Gel gibt den Zellen Halt, und sie bilden eine Gewebe-Struktur. Dieses Gewebe überführen wir dann in einem drehenden Bioreaktor, wo die Zellen weiter wachsen. Durch das ständige Drehen werden die Zellen in diesem Glasgefäß besser mit Nährstoffen und Sauerstoff versorgt als in anderen Zellkulturen oder Bioreaktoren."
Durch die ständige Bewegung im Bioreaktor entsteht in etwa zwei Monaten eine zusammenhängende Struktur mit einem Durchmesser von drei bis vier Millimetern – etwa Erbsengröße. Dann ist Schluss. Größere Strukturen würden nicht mehr ausreichend mit Nährstoffen und Sauerstoff versorgt. Ein Blutgefäßsystem fehlt dem Mini-Gehirn. Es besteht aus Nervenzellen und Gliazellen, die die Nervenzellen unterstützen. Dennoch ist die Nervenstruktur aus dem Bioreaktor mehr als ein Zellklumpen. Einige Nervenzellen bilden untereinander Kontakte und senden Signale hin und her, wie in einem richtigen Gehirn. Sogar bestimmte Gehirnteile entstehen im Bioreaktor wie von selbst: Hirnhäute, Netzhautgewebe oder der Hippocampus – eine Struktur, die im Gehirn Erinnerungen verwaltet. Dennoch sprechen die Forscher nicht von einem Mini-Gehirn, sondern lieber von zerebralen Organoiden: Gehirnartigen Organgebilden. Sie sind längst nicht so komplex aufgebaut wie ein echtes menschliches Gehirn. Als Organersatz sei das Gewebe daher ungeeignet, erklärte der Leiter der Wiener Arbeitsgruppe Jürgen Knoblich bei einer internationalen Telefon-Pressekonferenz.
"Ein natürliches Gehirn ist viel komplizierter aufgebaut als unser Organoid. Es bildet Verbindungen kreuz und quer durch das ganze Gehirn und bis ins Rückenmark. Für die regenerative Medizin sind die Strukturen aus dem Bioreaktor deshalb nicht geeignet. Man kann nicht einfach kranke Strukturen im Gehirn von Patienten mit Gewebe aus dem Bioreaktor reparieren."
Auch wenn die Struktur aus dem Bioreaktor kein wirkliches Mini-Gehirn ist, so lässt sie sich doch für die Medizin nutzen. Die Organoide sind geeignet, um Wirkungen und Nebenwirkungen von Medikamenten auf menschliche Gehirne zu testen. Außerdem lassen sich mit ihnen Gehirn-Entwicklungsstörungen im Labor erforschen. Madeline Lancaster konnte in Wien bereits die Entstehung der Gehirn-Krankheit Mikrozephalie im Bioreaktor untersuchen. Mikrozephalie ist eine Entwicklungsstörung, die zu einem verkleinerten Gehirn und deshalb zu geistiger Behinderung führt.
"Dazu schaute ich mir Organoide an, die wir aus Hautzellen von Patienten mit Mikrozephalie gezüchtet hatten. Aus den Hautzellen der Patienten wurden pluripotente Stammzellen, die sich dann zu Nervenzellen und weiter zu Organoiden entwickelten. Dabei zeigte sich: Die Zellen der Patienten entwickelten sich schneller als Zellen von gesunden Personen. Statt sich langsam von Stammzellen über Vorläuferzellen weiter zu entwickelten, entstanden zu früh fertige Nervenzellen."
Auch kompliziertere Krankheiten wie Schizophrenie oder Autismus wollen die Wiener Forscher mit ihrer Methode erforschen. Ein wirkliches menschliches Gehirn werde dabei in ihrem Bioreaktor nicht entstehen, versichern die Wissenschaftler.