Hirn-Organoide: Im Labor gezüchtete Mini-Hirne entwickeln augenartige Strukturen
Copyright: J. Gopalakrishnan
Düsseldorf (Deutschland) – Bei sogenannten Hirn-Organoiden handelt es sich um im Labor aus menschlichen Hautzellen erzeugte „Mini-Gehirne“, die als medizinische Modelle für die Hirnentwicklung genutzt werden (…GreWi berichtete bereits). Jetzt haben Mediziner ein Verfahren entwickelt, wie diese Mini-Hirne lichtempfindliche augenartige Strukturen, sogenannte Sehnäpfe, erzeugen können. Mit diesen lassen sich nun Gehirnentwicklungsprozesse oder etwa angeborene Netzhauterkrankungen modellieren und erforschen.
Wie das Team um Prof. Jay Gopalakrishnan von der Medizinischen Fakultät der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf aktuell im Cell-Fachjournal „Stem Cell“ (DOI: 10.1016/j.stem.2021.07.010) berichtet, entwickeln diese neuen Hirn-Organoide „spontan beidseitig symmetrische Sehschalen an der Vorderseite der hirnähnlichen Region des Organoids, was die Fähigkeit der iPSCs zur Selbstorganisation in einem hochkomplexen biologischen Prozess zeigt“. Diese Organoide können nun dabei helfen, die Wechselwirkungen zwischen Gehirn und Auge während der Embryonalentwicklung zu untersuchen, angeborene Netzhauterkrankungen zu modellieren und patientenspezifische Netzhautzelltypen für personalisierte Medikamententests und Transplantationstherapien zu erzeugen.
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„Unsere Arbeit unterstreicht die bemerkenswerte Fähigkeit von Hirnorganoiden, primitive sensorische Strukturen zu erzeugen, die lichtempfindlich sind und Zelltypen beherbergen, die denen im Körper ähneln“, erläutert Gopalakrishnan. Mit Hilfe der 3D-Gehirnorganoiden können viele Aspekte der menschlichen Gehirnentwicklung und -krankheiten untersucht werden.
Hintergrund
Die Herstellung von Gehirn-Organoiden beginnt mit einer Hautprobe eines Erwachsenen. Im Labor werden deren Hautzellen dann in sogenannten pluripotente Stammzellen (iPSCs) induziert und können dann zu jeder gewünschten Zellart spezialisiert entwickelt werden. In diesem Fall zu Hirnzellen, beispielsweise also unterschiedlichen Arten von Neuronen und Gliazellen. Mit derartigen „Mini-Hirnen“ konnte bereits der erste experimentelle Nachweis für die vom Zika-Virus hervorgerufenen Geburtsfehler erbracht werden. Auf der internationalen Raumstation wurden Hirn-Organoide bereits dazu genutzt, um hier die Auswirkungen von Mikrogravitation auf die Hirnentwicklung für zukünftige Weltraummissionen fernab der Erde zu untersuchen. Während entsprechende Mini-Hirne bislang keine kognitiven Funktionen replizierten und „nur“ zur Erforschung der Hirnentwicklung und molekularer Krankheitsauslöser dienen sollen, hatten US-Forscher 2019 erstmals in einigen optimierten Hirn-Organoiden neurale Netzwerk-Aktivität in Form elektrischer Impulse erzeugt, wie sie der von Hirnsignalen von zu früh geborenen Kindern – sogenannten Frühchen – glich (…GreWi berichtete).
Für ihre von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und von der Fritz Thyssen Stiftung unterstützte aktuelle Arbeit haben die Forschenden menschliche embryonale Stammzellen verwendet, um die Sehnervenkappe zu erzeugen, aus der die Netzhaut entsteht – die lichtempfindliche Gewebeschicht am hinteren Teil des Auges. In einer weiteren Studie zeigen sie, dass aus iPSCs, die aus adulten Zellen stammen, die genetisch in einen embryonalähnlichen pluripotenten Zustand zurückprogrammiert wurden, Sehnapf-ähnliche Strukturen erzeugt werden können. In der Vergangenheit konzentrierte sich die Herstellung von Sehnervenköpfen aus pluripotenten Stammzellen auf die Erzeugung der reinen Netzhaut. Bislang wurden Sehnervenköpfe und andere 3D-Netzhautstrukturen nicht funktionell in Hirnorganoide integriert.
Hierzu modifizierten Gopalakrishnan und sein Team nun ein Protokoll, das sie zuvor für die Umwandlung von iPSCs in neuronales Gewebe entwickelt hatten: „Die menschlichen Hirn-Organoide bildeten optische Becher, die bereits nach 30 Tagen erschienen und innerhalb von 50 Tagen zu sichtbaren Strukturen heranreiften. Dieser Zeitrahmen entspricht dem der Netzhautentwicklung im menschlichen Embryo und könnte bestimmte Arten von entwicklungsneurobiologischen Experimenten effizienter machen.“
In 16 unabhängigen Chargen von vier iPSC-Spendern erzeugten die Forscher 314 Hirnorganoide, von denen 72 Prozent Sehnervenköpfe bildeten, was zeige, dass die Methode reproduzierbar ist. Diese Strukturen enthielten verschiedene Zelltypen der Netzhaut, die elektrisch aktive neuronale Netzwerke bildeten, die auf Licht reagierten. Die Sehnapf-Gehirnorganoide enthielten auch Linsen- und Hornhautgewebe und wiesen eine Verbindung zwischen der Netzhaut und Gehirnregionen auf. „Im Gehirn von Säugetieren strecken sich die Nervenfasern der retinalen Ganglienzellen aus, um sich mit ihren Zielen im Gehirn zu verbinden, ein Aspekt, der bisher noch nie in einem In-vitro-System gezeigt wurde“, erklärt Gopalakrishnan.
In zukünftigen Studien wollen die Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen nun Strategien entwickeln, um die Sehnervenköpfe über lange Zeiträume lebensfähig zu halten und sie zur Untersuchung der Mechanismen zu verwenden, die Netzhauterkrankungen verursachen.
WEITERE MELDUNGEN ZUM THEMA
Mini-Gehirne im Labor zeigen Hirnaktivität wie Frühchen 29. August 2019
Recherchquellen: Heinrich Heine Universität Düsseldorf, eigene Recherchen grenzwissenschaft-aktuell.de
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