Stapel kleiner Plastikschalen in einem Labor-Inkubator, die jeweils einen frei schwebenden Klumpen menschlichen Gehirngewebes enthalten – das klingt wie Science-Fiction. Doch diese Gehirn-Organoide werden weltweit in Labors gezüchtet. Als führende Neurobiologin Madeline Lancaster vom MRC Laboratory of Molecular Biology in Cambridge erklärt, könnten sie tiefe Einblicke in das Wachstum des Gehirns und Fehlentwicklungen bieten.
"Ich habe nie versucht, ein Gehirn in einer Schüssel zu züchten", sagt Lancaster. "Vor wenigen Monaten hätte ich es für verrückt gehalten – es war ein Zufallsfund!"
Ihre Entdeckung begann als Postdoktorandin in Wien bei Jürgen Knoblich. Sie kultivierte Gehirnstammzellen in flachen Schichten, doch diese fehlten typische Merkmale echter Nervenzellen. Bei der Suche nach Verbesserungen testete sie neuronale "Rosetten" – flache, blumenähnliche Zellstrukturen.
"Etwas stimmte mit den Reagenzien nicht", erinnert sie sich. "Statt flacher Rosetten bildeten sich schwebende Kugeln. Sie wirkten interessant, also züchtete ich sie weiter."
Andere Forscher hatten ähnliche Strukturen verworfen. Doch Lancaster entdeckte im Inneren faszinierende Schichten: Flüssigkeitsgefüllte Hohlräume wie Ventrikel, Stammzellen an der Innenseite und außen spezialisierte Neuronen – eine Nachbildung echter Gehirnarchitektur.
Ein Gehirn aufbauen
Trotz des Namens "Mini-Gehirn" erreichen Organoide nur einen halben Zentimeter Durchmesser, wie ein Bleistiftradiergummi. Ohne Blutgefäße bleiben sie klein, sind aber robust und überleben über ein Jahr in sterilen Bedingungen.
Lancasters Organoide öffnen die "Black Box" der Gehirnentwicklung. Sie spiegeln Zelltypen und Organisation eines wachsenden menschlichen Gehirns wider und ermöglichen Zugang zu frühen Phasen, die MRT-Scans nicht erfassen.
"MRTs zeigen Veränderungen bei Kindern, aber nicht, wie Neuronen entstehen, wie viele und wo", betont Lancaster. "Unsere Organoide ahmen embryonale Prozesse nach – das Endprodukt gleicht einem realen Gehirn."
Sie vergleicht menschliche mit Schimpansen-Organoiden, um zu verstehen, was unser Gehirn einzigartig macht. Mithilfe von Gentechnik könnten Gene umgeschaltet werden – unmöglich bei Tieren.
Ethikfragen tauchen auf: Denken Organoide? "Nein", sagt Lancaster. "Sie ähneln Hirntumoren: Viele Neuronen, aber kein organisiertes Netzwerk oder Bewusstsein."
Heute verwendet sie embryonale und induzierte pluripotente Stammzellen (iPS), entdeckt von Nobelpreisträger Shinya Yamanaka. Organoide bilden vielfältige Zellen, vom Plexus choroideus bis zu Netzhautzellen.
"Bei jeder Suche finden wir erwartete Zelltypen", freut sie sich.
Verkabelung
Sergiu Pasca von der Stanford University nutzt Organoide für neuropsychiatrische Störungen wie Autismus und Epilepsie. "Viele Medikamente wurden zufällig gefunden", sagt er. "Wir können Patientengehirne nicht wie Tumore analysieren."
Seine Organoide leben über 800 Tage und bilden reale Strukturen. Aus Patienten-iPS-Zellen vergleichen sie mit gesunden Kontrollen.
"Elektroden messen Zellkommunikation, Mikroskope zeigen Verbindungen", erklärt Pasca. Bei Autismus-Patienten stören Genveränderungen Synapsen.
Mit "Gehirn-Lego" verbindet er Regionen und beobachtet hemmende Neuronen, die bei Epilepsie fehlschlagen. Patienten-Zellen migrierten abnormal – doch ein Medikament korrigierte dies.
Bis ins hohe Alter
Selina Wray vom University College London modelliert Alzheimer und frontotemporale Demenz. "Postmortem-Gewebe zeigt nur Endstadien", kritisiert sie. "Wir brauchen frühe Einblicke für bessere Therapien."
Aus Patienten-iPS-Zellen erkennt sie früh Molekül-Anomalien. Für Alterung testen sie Progerie-Gene oder Telomer-Manipulation.
"Personalisierte Medizin: Testen von Medikamenten auf individuellen Organoiden", visioniert Wray.
Pasca: "Aus Patientenzellen entstehen Modelle, die Leben verändern könnten."
- Dieser Artikel wurde erstmals im Dezember 2017 veröffentlicht