Tissue Engineering: Wiener Forscher züchten Minigehirne

Forscher aus Wien haben Miniversionen des menschlichen Gehirns im Labor nachgebildet. Die Organoiden sind nur wenige Millimeter groß, weisen aber unterscheidbare Hirnregionen auf.

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Querschnitt eines zerebralen Organoids: Motor auf dem Dach
Querschnitt eines zerebralen Organoids: Motor auf dem Dach (Bild: Institut für Molekulare Biotechnologie)

Wissenschaftler in Österreich haben Minigehirne aus Stammzellen gezüchtet. Daran wollen sie die Auswirkungen neurologischer Krankheiten simulieren.

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Zerebrale Organoide nennen die Forscher vom Institut für Molekulare Biotechnologie (IMBA) in Wien ihre Entwicklung. Sie bestehen aus Stammzellen, die auf ein synthetisches Gel aufgebracht werden, das dem Bindegewebe ähnelt. Diese Klumpen kommen dann in ein sogenanntes Spinnbad, in dem sie mit Nährlösung und Sauerstoff versorgt werden. Die Forscher nutzen dafür sowohl embryonale als auch induzierte pluripotente Stammzellen.

"Nach acht bis zehn Tagen entsteht in der Kultur neuronales Gewebe, nach 20 bis 30 Tagen haben sich die Zellen zu unterschiedlichen Hirnregionen weiterentwickelt. Im Durchschnitt können die Gehirn-Organoide die Entstehung von Gehirnstrukturen bis in die neunte Schwangerschaftswoche imitieren", erklärt Madeline Lancaster. "Die große Überraschung war, dass das funktioniert hat", sagte Jürgen Knoblich der britischen Fachzeitschrift Nature. Knoblich ist Gruppenleiter und stellvertretender Direktor des IMBA.

Gehirn eines Fötus

Ein solches Minigehirn wird etwa 3 bis 4 Millimeter groß und ähnelt damit dem Gehirn eines Fötus in der neunten Woche. Es sieht aus wie die frühen Entwicklungsregionen des Gehirns, zeigt aber schon unterscheidbare Bereiche wie den dorsalen Cortex, das ventrale Vorderhirn sowie eine unreife Netzhaut. Es hat funktionsfähige Nervenzellen und weist sogar erste Anzeichen der kortikalen Schichten auf. Allerdings fehlen die Blutgefäße.

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Es ist das komplexeste In-vitro-Gehirngewebe bisher. Dennoch wird es nie die Komplexität eines echten Gehirns erreichen: Die Teile seien zwar korrekt organisiert, aber sie seien nicht richtig zusammengesetzt, sagte Knoblich auf einer Pressekonferenz. Es sei wie ein Auto mit den nötigen Teilen wie Motor und Rädern, aber der Motor befinde sich auf dem Dach. Ein solches Auto werde nie fahren. Aber es sei trotzdem möglich, die Funktionsweise des Motors daran zu erforschen, zitiert das US-Wissenschaftsmagazin Popular Science den Forscher.

Erforschung neuronaler Entwicklungsstörungen

Genauer gesagt untersuchen die Forscher an den zerebralen Organoiden neuronale Entwicklungsstörungen wie Mikrozephalie. Da sich bei den verschiedenen Säugerarten das Gehirn unterschiedlich entwickelt, lassen sich solche Entwicklungsstörungen nur schwer an Tieren nachbilden.

Die Wiener haben Stammzellen aus der Haut eines Menschen mit Mikrozephalie entnommen. Die Zellklumpen seien nicht so schnell gewachsen wie die von Menschen ohne Mikrozephalie. Der Effekt gehe auf eine vorzeitige Differenzierung neuronaler Stammzellen in dem Mikrozephaliegewebe zurück, schreiben die Forscher in einem Aufsatz in Nature. Das zeige, dass sich mit "dreidimensionalen Organoiden Entwicklungen und Erkrankungen auch in diesem komplexesten menschlichen Gewebe wiederholen" lassen.

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