Stapel kleiner Plastikschalen in einem Labor-Inkubator, die jeweils einen frei schwebenden Klumpen menschlichen Gehirns enthalten, klingen vielleicht wie Stoff für Science-Fiction. Aber das ist kein futuristischer Höhenflug der Fantasie:Diese seltsamen Kreationen, bekannt als Gehirn-Organoide, werden bereits in Labors auf der ganzen Welt gezüchtet, und Forscher glauben, dass sie einige der tiefsten Geheimnisse darüber enthüllen könnten, wie unser Gehirn wächst und was wann passiert sie gehen schief.
„Ich glaube nicht, dass einer von uns versucht hat, ein Gehirn in einer Schüssel zu züchten“, sagt Madeline Lancaster, Neurobiologin am MRC Laboratory of Molecular Biology in Cambridge. „Hättest du mich nur ein paar Monate vor Beginn der Arbeit gefragt, hätte ich gesagt, es ist völlig verrückt – aber in meinem Fall war es ein Unfall!“
Lancasters zufällige Experimente mit Organoiden begannen, als sie als Postdoktorandin in Wien mit dem Molekularbiologen Jürgen Knoblich zusammenarbeitete und untersuchte, wie sich das Gehirn während der Entwicklung im Mutterleib bildet. Sie begann damit, Gehirnstammzellen in flachen Schichten in einer Schale zu züchten, stellte jedoch bald fest, dass ihnen viele der Schlüsselmerkmale von Nervenzellen in einem echten Gehirn fehlten. Auf der Suche nach einer besseren Methode probierte sie eine neue Technik aus, um neurale „Rosetten“ zu züchten – flache, blumenähnliche Zellkreise, die realistischer, wenn auch immer noch zweidimensional waren.
„Als ich die Zellen in die Kulturschale legte, stimmte etwas mit den verwendeten Reagenzien nicht“, sagt sie. „Anstatt diese schönen flachen Rosetten zu bilden, formten meine diese seltsamen, schwebenden Kugeln. Ich fand, dass sie interessant aussahen, also habe ich sie weiter gezüchtet.“
Im Gespräch mit anderen Forschern auf diesem Gebiet entdeckte sie, dass einige von ihnen diese seltsamen Flecken ebenfalls gesehen, sie aber weggeworfen hatten, weil sie falsch aussahen. Aber während diese Gehirnkugeln von außen neugierig aussahen, war das, was Lancaster im Inneren fand, faszinierend. Jede bestand aus prallen Zellschichten, die durch Hohlräume verbunden waren, genau wie die mit Flüssigkeit gefüllten Ventrikel, die die Hemisphären der Großhirnrinde in einem echten Gehirn verbinden. Sogar die Zellschichten ahmten die Anordnung in normalem Gehirngewebe nach, wobei Stammzellen die Ventrikel auskleideten und Schichten über Schichten von spezialisierteren Zellen und Neuronen nach außen aufgebaut wurden.
Ein Gehirn aufbauen
Trotz ihres Spitznamens „Mini-Gehirn“ sind diese Organoide weit davon entfernt, menschliche Organe in voller Größe zu sein. Sie haben einen Durchmesser von etwa einem halben Zentimeter – ungefähr die Form und Größe eines Radiergummis am Ende eines Bleistifts – und ihnen fehlen Schlüsselstrukturen wie Blutgefäße, was ihre Größe einschränkt. Organoide sind auch bemerkenswert robust, solange sie in einer peinlich sauberen Umgebung gezüchtet werden, und können länger als ein Jahr am Leben bleiben.
Lancasters Mini-Gehirne ermöglichen es ihr, die „Black Box“ der menschlichen Gehirnentwicklung aufzubrechen. Da sie die Zelltypen und die Organisation eines wachsenden menschlichen Gehirns widerspiegeln, öffnen Organoide ein Fenster in die Lebenszeit, das der Wissenschaft bisher nicht zugänglich war.
„Die Leute haben MRT-Scans an Kindern und sogar Babys durchgeführt, um zu sehen, wie sich die Gehirnverdrahtung verändert, aber wenn es um diese frühen Ereignisse geht – wie Neuronen hergestellt werden, wie viele, welche Arten und wo – können wir sie nicht beantworten, nein Egal, wie gut unser MRT-Gerät ist. Aber ich denke, was in diesen Gerichten passiert, spiegelt wider, was in einem echten Embryo passiert. Wir wissen das, weil das Endprodukt einem echten Gehirn sehr ähnlich sieht, also haben wir ein handhabbares System, um damit zu beginnen, einige dieser grundlegenden Fragen zur Gehirnentwicklung zu stellen.“
Lancaster nutzt ihre Mini-Gehirne auch, um eine noch tiefere Frage zu beantworten:Was macht ein menschliches Gehirn zu einem Menschen? Wir teilen mehr als 95 Prozent unserer DNA mit unseren nächsten Primatenverwandten wie Schimpansen, aber unsere Gehirne sind viel größer und zweifellos anders. Durch den Vergleich von aus Schimpansenstammzellen gezüchteten Gehirnorganoiden mit denen von Menschen beobachten sie und ihr Team, wie sich diese Unterschiede in den frühesten Entwicklungsstadien abzeichnen. Es besteht sogar die Möglichkeit, mithilfe neuer gentechnischer Techniken Gene von Menschen und Schimpansen in Minigehirnen umzuschalten – etwas, das bei lebenden Tieren unmöglich wäre –, um die genauen molekularen Wege zu bestimmen, die das menschliche Gehirn so besonders machen. P>
Das gehirnähnliche Aussehen dieser Organoide wirft sowohl ethische als auch wissenschaftliche Fragen auf. Können sie denken und sind sie bei Bewusstsein? Laut Lancaster lautet die Antwort mit ziemlicher Sicherheit nein.
„Ich denke, sie sind ein bisschen wie Hirntumoren“, sagt sie. „Tumore enthalten viel mehr Neuronen als unsere Minigehirne in einer Schale, aber niemand ist besorgt, dass sein Gehirntumor denkt oder ein Bewusstsein hat, und niemand ist traurig, dass er herausgenommen und weggeworfen wurde. Das haben wir hier. Es ist kein organisiertes Netzwerk und es kann keinen funktionierenden Denkschaltkreis bilden – es ist ein Ball aus Gehirngewebe, und nur weil Sie Neuronen haben, heißt das nicht, dass es denken kann.“
Heute züchten sie und ihr Team Mini-Gehirne aus humanen embryonalen Stammzelllinien – den Mehrzweckzellen, die ursprünglich in sehr frühen menschlichen Embryonen gefunden wurden, jetzt aber im Labor kultiviert werden. Sie verwendet auch sogenannte induzierte pluripotente Stammzellen (IPS):adulte Zellen, die mit einem Cocktail von Molekülen, die zuerst von der mit dem Nobelpreis ausgezeichneten japanischen Wissenschaftlerin Shinya Yamanaka entdeckt wurden, in einen embryonalen Zustand zurückversetzt wurden. Abhängig von den genauen Bedingungen kann Lancaster ihre Organoide dazu bringen, alle Arten von Zellen zu entwickeln, vom flauschigen Plexus choroideus (der sich mit Blutgefäßen in einem echten Gehirn verbinden würde) bis zu pigmentierten Lichtsensorzellen, die normalerweise in der Netzhaut zu finden sind Augenhintergrund.
„Es gibt einfach so viele Zelltypen, nach denen man suchen muss“, sagt sie, „aber abhängig von der Methode, die wir verwenden, finden wir jedes Mal, wenn wir nach etwas suchen, von dem wir wissen, dass es dort sein sollte, es.“
Verkabelung
Mit Mini-Gehirnen können Forscher nicht nur normale Entwicklungsprozesse untersuchen. Sergiu Pasca, Assistenzprofessor für Psychiatrie und Verhaltenswissenschaften an der Stanford University in Kalifornien, verwendet sie, um zu verstehen, was bei Autismus, Schizophrenie, Epilepsie und anderen neuropsychiatrischen Störungen schief läuft.
„Die meisten Psychopharmaka, die wir heute haben, wurden zufällig entdeckt – wir wissen sehr wenig über die Ursprünge dieser Störungen, und die Frage ist, warum?“, fragt er. „Im Gegensatz zu Krebsbiologen, die einen Tumor herausnehmen, in eine Schüssel legen und Wege finden können, ihn zu behandeln, können wir das mit den Gehirnen unserer Patienten mit psychischen Störungen nicht tun.“
Pasca und sein Team haben es geschafft, Mini-Gehirne seit mehr als zwei Jahren zu züchten – erstaunliche 800 Tage ist ihr aktueller Rekord – und gezeigt, dass sie die meisten der gleichen Zelltypen und Strukturen erzeugen können, die in echten menschlichen Gehirnen zu finden sind. Sie verwenden die Technik, um die Wurzeln schwerer Autismus- und Epilepsie-Syndrome zu untersuchen, indem sie Organoide mit IPS-Zellen erzeugen, die aus Hautproben betroffener Kinder stammen, und sie dann sorgfältig mit Kulturen vergleichen, die aus gesunden Zellen gezüchtet wurden.
„Wir können Elektroden verwenden, um zu messen, wie die Zellen miteinander sprechen, und mikroskopieren, um zu sehen, wie sich die Zellen bewegen und Verbindungen miteinander herstellen“, erklärt er. „Viele der mit diesen Störungen assoziierten Gene sind an den Verbindungen zwischen Nervenzellen beteiligt, sodass wir sehen können, wie die Genveränderungen bei diesen Patienten die Kommunikation im Gehirn auf nicht-invasive Weise beeinträchtigen.“
Er führt diese Ideen jetzt noch weiter, indem er Organoide zusammenklebt, die verschiedene Regionen des Gehirns nachahmen, und ihre Wechselwirkungen untersucht – eine Technik, die er als „Gehirn-Lego“ bezeichnet. Das Team verwendet diese Hybriden, um das Gehirn auszuspionieren, während es sich selbst verkabelt, und konzentriert sich darauf, was mit sogenannten hemmenden Neuronen passiert, die normalerweise helfen, die Gehirnaktivität zu beruhigen, aber bei Menschen mit Epilepsie und Autismus fehlerhaft sind.
„Inhibitorische Neuronen werden nicht im Kortex auf der Oberfläche des Gehirns geboren:Sie werden in einer sehr tiefen Region des Vorderhirns geboren und müssen viele Monate nach der Geburt Millimeter wandern“, sagt Pasca. „Es ist wirklich faszinierend, unsere Kulturen zu beobachten – sie ziehen sich irgendwie hoch und springen mit.“
Aber als Pasca und seine Kollegen Organoide betrachteten, die mit Zellen von Patienten mit einer Form von Autismus gezüchtet wurden, die mit Epilepsie in Verbindung gebracht wird, sahen sie ein ganz anderes Bild. Die hemmenden Zellen bewegten sich auf eine sehr eigenartige Weise, sprangen häufiger, aber weniger effizient, und blieben schließlich zurück.
Beeindruckenderweise waren die Forscher dann in der Lage, ein Medikament zu identifizieren, das diese zurückgebliebenen Zellen retten könnte, indem es den Verdrahtungsfehler korrigierte und auf eine potenzielle zukünftige Behandlung für Kinder hinweist, die an der gleichen Erkrankung leiden.
Bis ins hohe Alter
Unterdessen verwendet die Neurologin Selina Wray am University College London Hirnorganoide, um neurodegenerative Erkrankungen zu untersuchen, die am anderen Ende des Lebens beginnen, einschließlich der Alzheimer-Krankheit und frontotemporaler Demenz.
„Normalerweise müssen wir mit postmortem Hirngewebe von Patienten arbeiten, aber man betrachtet immer nur die Endstadien“, sagt sie. „Es ist fast so, als würde man zum Tatort kommen, nachdem der Verbrecher verschwunden ist, und man versucht, eine Abfolge von Ereignissen zusammenzusetzen, indem man sich den hinterlassenen Schaden ansieht. Ich möchte im Labor Modelle bauen, die es uns ermöglichen, ganz am Anfang der Krankheit zu sehen – denn wenn wir verstehen, was zuerst schief geht, sollte die Behandlung effektiver sein.“
Ähnlich wie Pasca und Lancaster nimmt sie Hautproben von Patienten mit Demenz, verwandelt sie in IPS-Zellen und züchtet dann Organoide. Wray kann bereits nach wenigen Monaten Unterschiede im Vergleich zu Organoiden von nicht betroffenen Menschen erkennen und findet erhöhte Konzentrationen der Formen bestimmter Moleküle, die mit der Alzheimer-Krankheit in Verbindung gebracht werden.
Allerdings gibt es bei diesem Ansatz ein Problem:Mini-Gehirne ahmen die allerersten Lebensphasen nach, während Demenz ein Problem ist, das Jahrzehnte braucht, um sich zu entwickeln. Um dies zu lösen, arbeiten Forscher an cleveren Hacks, um den Alterungsprozess zu beschleunigen. Eine Idee ist, genetische Veränderungen hinzuzufügen, die Progerie nachahmen – eine seltene Erkrankung, die dramatische vorzeitige Alterung verursacht. Ein anderer Ansatz besteht darin, sich in die Strukturen einzumischen, die die DNA-Enden in Zellen schützen, die als Telomere bekannt sind und mit zunehmendem Alter als eine Art Countdown-Uhr fungieren.
Neben der Untersuchung der zugrunde liegenden Prozesse, die Demenz vorantreiben, glaubt Wray, dass Mini-Gehirne ein großes Potenzial haben, um dabei zu helfen, die richtige Behandlung für einzelne Patienten zu finden.
„Ich bin begeistert von der Idee der personalisierten Medizin – dass Sie die Zellen von jemandem nehmen und Organoide im Labor züchten, eine Reihe von Medikamenten gegen sie testen und sagen könnten:‚Okay, wir glauben, diese Person wird auf Medikamente ABC ansprechen, aber diese Person wird besser auf die Medikamente XYZ ansprechen'“, sagt sie. „Das passiert in der Krebsbiologie, diese Idee, Patienten auf molekularer Basis stratifizieren zu können, und obwohl ich denke, dass wir noch weit davon entfernt sind, finde ich die Idee toll, die Neuronen von jemandem zu züchten, damit wir herausfinden können, welche Therapien wir geben sollten sie.“
Sergiu Pasca ist ähnlich begeistert von dem Potenzial von Mini-Gehirnen, Leben zu verändern.
„Unsere Organoide werden aus Zellen gezüchtet, die echten Patienten entnommen wurden“, sagt er. „Diese Kinder haben schwere neurologische Entwicklungsstörungen, die ihr Leben wirklich beeinträchtigen, und sich vorzustellen, dass man ein paar Monate später Hirngewebe von diesen Patienten in einer Schüssel entnehmen und anfangen kann, Fragen darüber zu stellen, wie die Krankheit entstehen kann – das macht das so spannend.“
- Dieser Artikel wurde erstmals im Dezember 2017 veröffentlicht