Stammzelle "Mini-Gehirn" sehr ähnlich zu echtem Gehirn, Studie findet

Der Aufbau eines realistischen Modells des menschlichen Gehirns ist ein wesentlicher Bestandteil des Verständnisses der Gehirnentwicklung sowie neurologischer Erkrankungen wie Alzheimer oder Parkinson. Mit menschlichen Stammzellen haben Forscher ein 3-D-Modell des menschlichen Gehirns erstellt - und neue Forschungen untersuchen, wie ähnlich es einem echten Gehirn ist.
Eine neue Studie untersucht die Funktionalität eines 3D-Gehirnmodells, das hier in einem fluoreszierenden Querschnitt dargestellt ist. Bildnachweis: Madeline Lancaster / Medical Research Council, Laboratorium für Molekularbiologie, Vereinigtes Königreich.

Ein gutes Modell des menschlichen Gehirns ermöglicht es Wissenschaftlern, neurologische Störungen zu untersuchen, mehr über die Entwicklung und Funktion des Gehirns zu erfahren und vielleicht sogar in der Zukunft experimentelle Medikamente zu testen, bevor sie in das klinische Studienstadium eintreten.

Gegenwärtig verwenden Wissenschaftler typischerweise 2-D-Gehirnmodelle. Zu den neuesten Entwicklungen in der Gehirnmodellierung gehört jedoch die Schaffung von funktionellem 3-D-Gehirnähnlichem Gewebe und ganzen "Mini-Gehirnen" aus menschlichen Stammzellen.

Neue Forschung untersucht ein solches 3-D-Mini-Gehirn-Modell und untersucht seine Vorteile gegenüber einem 2-D-Gehirnmodell.

Die Studie wurde von Wissenschaftlern des Salk Instituts durchgeführt und die Ergebnisse wurden in der Zeitschrift veröffentlicht Zellberichte.

Entwicklungen in der Gehirnmodellierung

Die Fähigkeit, ein Gehirn vollständig aus menschlichen Zellen zu züchten, ist nicht neu, aber es ist ziemlich neu und wurde von den Autoren dieser neuen Studie als "ein echter Durchbruch" gefeiert.

Die Forscher des Salk-Instituts zitieren die europäische Studie aus dem Jahr 2013, in der Wissenschaftler ein zerebrales Organoidmodell (CO-Modell) in vitro aus embryonalen und adulten Stammzellen züchteten. Die Forscher platzierten die Zellen dann in einem 3-D-Gel, wo sie sich zu realistischen Schichten entwickelten, die ein echtes menschliches Gehirn reflektierten.

Zuvor hatten sich embryonale Stammzellen in einschichtige Gehirnzellen innerhalb einer Petrischale verwandelt, aber dies hatte die offensichtliche Einschränkung, dass es sich um 2D statt um echtes 3D-Gehirn handelte.

Begrenzte 2-D-Gehirnmodelle sind heute weit verbreitet, aber die Forscher des Salk-Instituts weisen auf die Vorteile von 3-D-CO-Modellen hin.

"Die Fähigkeit, menschliche Gehirnzellen als dreidimensionale Miniaturorgane wachsen zu lassen, war ein echter Durchbruch", sagt Joseph Ecker, der leitende Autor der neuen Studie, ein Howard Hughes Medical Institute Investigator und Professor und Direktor des Salk's Genomic Analysis Laboratory. "Jetzt, da wir ein strukturell realistisches Modell haben, können wir anfangen zu fragen, ob es auch funktional realistisch ist, indem wir seine genetischen und epigenetischen Merkmale betrachten."

Beurteilung der genetischen und epigenetischen Eigenschaften von Mini-Gehirnen

Forscher von Ecker verglichen frühen Entwicklung COs mit echtem Hirngewebe in der gleichen frühen Entwicklungsstadium.

Das Team erstellte COs für ihre Analyse unter Verwendung einer menschlichen embryonalen Zelllinie namens H9. Sie induzierten die Zellen für 60 Tage chemisch in einen neuronalen Entwicklungsweg.

Dann analysierten die Forscher die Epigenetik der Mini-Gehirne und untersuchten die Muster chemischer Marker, die für die Aktivierung oder das Ausschalten von Genen verantwortlich sind.

Das Interesse der Forscher an Epigenetik beruht auf der zunehmenden Evidenz, dass Umweltfaktoren wie Ernährung oder Stress bei Hirnerkrankungen wie Schizophrenie eine Rolle spielen.

Ecker und sein Team verglich ihre Ergebnisse mit dem altersangepassten echten Gewebe von der NeuroBioBank des National Institutes of Health (NIH) und anderen 2-D Gehirnmodelldaten.

3D-Modelle, die echten Gehirnen sehr ähnlich sind

Obwohl COs seit drei Jahren in Laboratorien angebaut werden, war es zuvor unbekannt, wie ähnlich sie sich zu echten Gehirnen verhielten, bis Ecker und das Team sie in ihrer neuen Studie analysierten.

Die Forscher fanden heraus, dass COs in Bezug auf Zelldifferenzierung und Genexpression echtem Hirngewebe ähnlicher waren als 2D-Modelle. In der frühen Entwicklungsphase entwickeln sich Mini-Gehirne in einem sehr ähnlichen Tempo wie echte Gehirne.

Epigenetisch hat die Studie gezeigt, dass sowohl 3-D- als auch 2-D-Modelle ähnlich abweichende Muster aufwiesen, die allen Zellen gemeinsam sind, die in vitro statt in vivo gezüchtet werden. Die Bedeutung dieses Unterschieds ist noch nicht klar, sagt Ecker, aber es ist sehr bedeutsam in Bezug darauf, wie ähnlich ein Modell zu einem echten Gehirn sein kann.

"Unsere Ergebnisse zeigen, dass Hirnorganoide als 3-D-Modell der Hirnfunktion einem realen Gehirn näher kommen als 2D-Modelle, und vielleicht können wir durch Verwendung des epigenetischen Musters als Maßstab sogar noch näher kommen", sagt Ecker.

Der erste Autor des Artikels, Chongyuan Luo, betont ebenfalls den Beitrag ihrer Studie zur Neurologie.

"Niemand hat Epigenom-Sequenzierung für zerebrale Organoide zuvor durchgeführt. Diese Art von Bewertung ist so wichtig für das Verständnis der Gehirnentwicklung, besonders wenn wir diese Gewebe schließlich für neurologische Therapien verwenden werden."

Chongyuan Luo

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