Das Mini-Hirn

Faszination und ein wenig Grusel sind die beiden Pole zwischen denen unsere Gefühle hin-und-herpendeln, wenn die Rede davon ist, etwas Menschliches aus einer Petrischale oder einer Nähstofflösung zu ziehen. Mini-Hirne in Massen wachsen zu lassen, ist die aktuell spannendste Entwicklung.

Allerdings geht es bei ihnen nicht darum, sie in den menschlichen Körper einzusetzen, sondern sie als Forschungsobjekte zu nutzen. Tatsächlich lassen sie sich aus sogenannten induzierten pluripotenten Stammzellen herstellen. Pluripotente Stammzellen wiederum können zum Beispiel aus Bindegewebszellen gewonnen werden. Das bedeutet: Die Forscher/innen müssen keine embryonalen Stammzellen dafür verwenden. Ein ethischer Fortschritt, der auch der Forschungsantrieb des Mannes war, der für seine Entwicklung dieser Stammzellen 2012 (zusammen mit John Gurdon) den Medizin-Nobelpreis erhielt: Shin’ya Yamanaka.

Copyright: National Institutes of Health (Public domain), via Wikimedia Commons

Medizin-Nobelpreisträger Shin’ya Yamanaka, Copyright: National Institutes of Health (Public domain) via Wikimedia Commons.

 

When I saw the embryo, I suddenly realized there was such a small difference between it and my daughters. I thought, we can’t keep destroying embryos for our research. There must be another way.

Shin’ya Yamanaka ist ein japanischer Arzt und Stammzellforscher und leitet das Center for iPS Cell Research an der Universität Kyoto, wo er auch als Professor lehrt. Bahnbrechend an seiner Entdeckung war, dass bereits ausgereifte Zellen wieder in ihren embryonalen Urzustand zurückversetzt werden können. Induzierte pluripotente Stammzellen erhalten so das Potential zurück, sich in jedes beliebige Gewebe zu entwickeln. 2006 gelang das dem Team von Yamanaka mit Bindegewebszellen von Mäusen, 2007 mit menschlichen Bindegewebszellen.

Die induzierten pluripotenten Stammzellen erwiesen sich als enormer Motor der Forschung. So waren sie auch das Ausgangsmaterial des Forschungsteams um den Molekularbiologen Jürgen Knoblich vom Wiener Institut für Molekulare Biotechnologie, das sich zunächst die sogenannte neurale Induktion zunutze machte. Dabei können Wissenschaftler/innen auf die besondere Fähigkeit zur Selbstorganisation von Stammzellen setzen: Wenn sie in einer Nährlösung keinen anderen Anheftungspunkt finden, lagern sie sich selbst zu kleinen Körperchen zusammen, und durch Zugabe von Signalsubstanzen bilden diese Körperchen das sogenannte Neuroektoderm. Dieses wiederum wird in ein spezielles Gel gelegt, welches das wachsende Gewebe stützt. Weiter wird es mit einem Rührer in einer Kulturflasche mit Sauerstoff und Nährstoffen versorgt. Nach circa einem Monat entsteht auf diese Weise ein kleines Organoid mit komplexem Zellsystem, das diverse Hirnregionen repräsentierten kann.

So geplant lief die Entwicklung der Mini-Brains im Labor in Wien aber zunächst nicht ab. Tatsächlich war es wie so oft: Ein geplanter experimenteller Ablauf funktionierte nicht, daraus entstand etwas Neues, das sich zunächst nicht erklären und einordnen ließ. Madeline Lancaster, Postdoktorandin bei Prof. Knoblich, war diejenige, die entschlüsselte, was sich vor ihren Augen entwickelte. Sie entdeckte in ihrer angesetzten Kultur einen eigenartigen Pigmentfleck und untersuchte ihn unter dem Mikroskop. Er stellte sich als Zelle einer sich entwickelnden Retina heraus. Nachdem sie auch noch eines der kompletten Gebilde seziert hatte, stand für sie fest: Das ist ein embryonales Gehirn! (TEDx-Talk)

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Aktive Nervenzellen (Neuronen); Copyright: istock.com/Eraxion

Weltweit forschen unterschiedliche Teams nicht nur an der Herstellung der Mini-Hirne, sondern auch anderer Organe. Zudem gibt es variierende Methoden sie zu erzeugen. Ziel- und Wunschvorstellungen, was mit ihnen anzufangen ist bzw. welchen Nutzen diese Forschung haben soll und kann, sind aber für alle gleich zu umreißen: Die Mini-Organe helfen der Forschung, Entwicklungsprozesse zu verstehen, und im Falle der Hirn-Forschung kann man nicht nur die Entstehung der Schichten der Großhirnrinde nachvollziehen, sondern auch die Geburtsstätten von Neuronen in ihrer räumlichen Umgebung analysieren. Diese Neuronen in ihrem Gebilde entdeckt zu haben, war auch der letzte Moment der Gewissheit von Forscherin Lancaster. Zudem eröffnen die künstlich erzeugten Organe auch der Erforschung von Krankheiten und vor allem dem Testen von Medikamenten neue Wege.

Tatsächlich wurden dazu bereits aufschlussreiche Versuche gemacht. Anstelle einer normalen Hautzelle wurde Gewebe eines Patienten mit einer genetisch bedingten Erkrankung entnommen und ebenfalls in pluripotente Stammzellen verwandelt und mit dem geschilderten Verfahren zu einem Mini-Organoid ausgebildet. So gelingt der direkte Vergleich als Ausgangspunkt für die weitere Erforschung der entsprechenden Fehlbildung. Einen Schritt weiter gingen Forscher um die Zellbiologin Patricia Garcez von der Universität Rio de Janeiro, die mit dem Zika-Virus befallene Organoide züchteten und untersuchten. Tatsächlich spart diese Methode nicht nur Tierversuche, sondern es lassen sich viele Prozesse gar nicht im Tierversuch darstellen, da bestimmte Entwicklungsschritte im Gehirn von Nagern anders ablaufen.

Video 3D “Mini-Brain” von Thomas Hartung auf youtube; die verschiedenen Zellpopulationen wurden farbig markiert.

So ist es für Thomas Hartung von der John Hopkins University ein wesentliches Argument, mit dieser Forschung eine Alternative zum Tierversuch gefunden zu haben – nicht nur aus ethischen, sondern schlicht auch aus forschungstechnischen Gründen:

Ninety-five percent of drugs that look promising when tested in animal models fail once they are tested in humans at great expense of time and money.

Prof. Hartung sieht die Zukunft der Hirnforschung in auf menschlichen Zellen basierten Modellen und hat mit seinem Team ebenfalls ein Verfahren zum Züchten von Mini-Hirnen entwickelt. Hartung sagte bei der Vorstellung der Forschungsergebnisse, dass sie nicht das erste Modell hätten und auch nicht behaupten wollen, das Beste zu haben, aber sie hätten die Methode standardisiert und befänden sich somit in der Lage, Hunderttausende exakt gleicher Kopien anzufertigen. Dies ist eine wesentliche Voraussetzung, um Medikamente testen zu können.

Auf dem Gebiet der Hirnforschung setzen die Wissenschaftler/innen ihre Hoffnung darauf, wesentliche Erkenntnisse bei der Erforschung und Behandlung von Alzheimer, Parkinson und Multipler Sklerose zu machen – und vielleicht sogar bei Autismus. Aller Euphorie sind aber momentan noch biologische Grenzen gesetzt. Die Mini-Brains stoppen ihr Wachstum ungefähr auf dem Stadium eines Embryos in der neunten Schwangerschaftswoche: Die Blutgefäße und somit ein Versorgungssystem fehlen. Auch die räumliche Organisation des menschlichen Gehirns wird nicht abgebildet. Es bleibt also die weitere Entwicklung abzuwarten.

Für die Krebsbehandlung konnten schon Erfolge vermeldet werden: Es wurden Organoide aus Zellmaterial von Bauchspeicheldrüsenkrebs-Patienten hergestellt und dienten der Suche nach dem am besten geeigneten Medikament für den spezifischen Tumor. Wenn diese Methode sich tatsächlich als zuverlässig erweisen sollte und in größerem Umfang nutzen ließe, wäre es eine elegante Art, um schneller, billiger und sicherer Erkenntnisse zu gewinnen – und Menschenleben zu retten.

Stephanie Hanel

About Stephanie Hanel

Stephanie Hanel is a journalist and author. Her enthusiasm for the people behind science grew out of her work as an online editor for AcademiaNet, an international portal that publishes profiles of excellent female scientists. She is an interested observer of new communication channels and narrative forms as well as a dedicated social media user and science slam fan.

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