Wissenschaftler bauen erfolgreich "Mini-Gehirne" aus Stammzellen an

Laut einer Studie, die in der Zeitschrift veröffentlicht wurde, haben Wissenschaftler erfolgreich mithilfe eines neuen 3D-Kultursystems komplexes menschliches Hirngewebe aus Stammzellen kultiviert Natur.

Forscher des Instituts für Molekulare Biotechnologie (IMBA) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) sagen, das neu geschaffene Gewebe könnte der Beginn der Entwicklung von Modellsystemen für das menschliche Gehirn sein.

Die Wissenschaftler begannen mit der Forschung mit etablierten humanen embryonalen Stammzelllinien und induzierten pluripotenten Stammzellen (iPS) aus embryonalen Mausfibroblasten. Sie identifizierten Wachstumsbedingungen, die dazu führten, dass sich die Stammzellen in eine Vielzahl von Hirngeweben differenzieren.

Die Forscher verwendeten "Medien" für die neuronale Induktion und Differenzierung, die es ihnen ermöglichten, "Musterbildungs-Wachstumsfaktor-Bedingungen" zu vermeiden. Sie sagen, dass diese Bedingungen normalerweise angewendet werden, um bestimmte Zellidentitäten aus Stammzellen zu generieren.

Dr. Jürgen Knoblich vom IMBA und Leitautor erläutert den Ablauf:

"Wir modifizierten einen etablierten Ansatz zur Erzeugung des sogenannten Neuroektoderms, einer Zellschicht, aus der das Nervensystem abgeleitet wird. Fragmente dieses Gewebes wurden dann in einer 3D-Kultur gehalten und in Tröpfchen eines spezifischen Gels eingebettet, das ein Gerüst für komplexes Gewebe bildete Wachstum."

"Um die Nährstoffaufnahme zu verbessern, überführten wir die Geltröpfchen später in einen Spinnbioreaktor. Innerhalb von 3 bis 4 Wochen wurden definierte Hirnregionen gebildet."

'Mini-Gehirne' nach 2 Monaten gewachsen

"Zerebrale Organoide" bildeten sich nach 15-20 Tagen. Diese Organoide hatten ein kontinuierliches Gewebe (Neuroepithelien) um eine mit Flüssigkeit gefüllte Höhle, ähnlich einer Gehirnventrikel - eine Höhle im Gehirn, die mit dem zentralen Kanal des Rückenmarks kontinuierlich ist.

Nach 20-30 Tagen entwickelten sich definierte Regionen des Gehirns - einschließlich einer Großhirnrinde, Retina, Meningen und eines Plexus choroideus.

Nach 2 Monaten waren "Mini-Gehirne" in voller Größe entstanden, die in einem sich drehenden Bioreaktor weiterlebten, und sie überleben derzeit nach 10 Monaten.

Die Autoren der Studie sagen:

"Wir haben einen neuartigen Ansatz zur Untersuchung menschlicher neuroneller Entwicklungsprozesse durch In-vitro-Kultur von zerebralen Organoiden aus humanen pluripotenten Stammzellen etabliert.

Diese Methode rekapituliert nicht nur grundlegende Mechanismen der neurologischen Entwicklung von Säugetieren, sondern zeigt auch Merkmale der Entwicklung des menschlichen Gehirns. Wir hoffen, dass diese Methode eine Vielzahl von neuronalen Entwicklungsprozessen ermöglicht, die spezifisch für die Entwicklung des menschlichen Gehirns sind. "

Potenzial für "Modellgehirne"

Die Forscher sagen, dass diese Methode möglicherweise verwendet werden könnte, um "Modellsysteme" für Störungen des menschlichen Gehirns zu schaffen.

Sie haben bereits die "Mini-Gehirne" verwendet, um den Beginn der Mikrozephalie zu analysieren - eine genetisch neurologische Erkrankung, bei der das Gehirn signifikant verkleinert ist.

Das Team erzeugte induzierte pluripotente Stammzellen von einem Patienten mit Mikrozephalie. Dadurch konnten sie "Mini-Gehirne" schaffen, die alle von der Störung betroffen waren.

Die Gehirne wurden kleiner, genau wie die Forscher erwartet hatten. Sie waren jedoch daran interessiert zu finden, dass, obwohl das neuropithiliale Gewebe in den Mikrozephalie-Minigehirnen zu einer kleineren Größe wuchs, verglichen mit denen, die diese Störung nicht aufwiesen, es ein erhöhtes neuronales Auswachsen gab.

Aus diesem Grund glauben die Autoren der Studie, dass während der Gehirnentwicklung von Mikrozephalie-Patienten die Differenzierung in der neuronalen Entwicklung "vorzeitig auf Kosten von Stamm- und Vorläuferzellen beginnt, die sonst zu einem stärkeren Wachstum der Gehirngröße beitragen würden".

Darüber hinaus entdeckten sie, dass ein anderer Grund für die Störung in einer Richtungsänderung liegen könnte, wenn sich die Stammzellen teilen.

Dr. Madeline Lancaster, Erstautorin der Studie, sagt, dass Mini-Gehirne neben dem Potenzial für neue Einblicke in die Entwicklung von Störungen des menschlichen Gehirns auch für die pharmazeutische und chemische Industrie von großem Interesse sein werden.

"Sie ermöglichen das Testen von Therapien gegen Hirndefekte und andere neuronale Störungen", fügt Dr. Lancaster hinzu. "Darüber hinaus werden sie die Analyse der Auswirkungen bestimmter Chemikalien auf die Entwicklung des Gehirns ermöglichen."

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