Baku, den 31. August (AZERTAG). Aktive Nervenzellen, verschiedene Hirnstrukturen: Im Labor haben Wissenschaftler ein Mini-Gehirn gezüchtet. Mit Hilfe solcher Organmodelle lassen sich Krankheiten besser erforschen. Und sie könnten auch bei der Entwicklung neuer Medikamente helfen. Nur rund vier Millimeter breit sind die Zellansammlungen, die Forscher im Labor herangezüchtet haben - doch sie erlauben, die Entwicklung des menschlichen Gehirns in den ersten Lebenswochen eines Embryos abzubilden. Zwar handelt es sich nicht um echte Mini-Gehirne, weshalb die Forscher vorsichtig von „cerebralen Organoiden“ sprechen. Doch mit ihrer Hilfe könnten sich Entwicklungsstörungen und Krankheiten besser erforschen lassen als beispielsweise an Mäusen.

Wie das Team um Madeline Lancaster und Jürgen Knoblich vom Wiener Institut für Molekulare Biotechnologie im Fachmagazin „Nature“ schreibt, entstanden die Strukturen aus menschlichen embryonalen Stammzellen. In weiteren Experimenten nutzen die Forscher sogenannte iPS-Zellen: gewöhnliche Körperzellen, die zu Stammzellen umprogrammiert wurden.

Stammzellen besitzen eine enorme Fähigkeit zur Selbstorganisation. Unter geeigneten Bedingungen lagern sie sich zu dreidimensionalen Geweben zusammen. Die Forscher nutzten dies aus und ließen die Stammzellen ab einem bestimmten Entwicklungsstadium in einem sich drehenden Bioreaktor heranwachsen. Durch die Rotation wird die Nährstoffversorgung der Zellen verbessert.

Im Zeitraum von etwa zwei Monaten erreichten die Organoide ihre endgültige Größe. Die Gewebe seien unbegrenzt lebensfähig, schreiben die Forscher. Einige hätten bereits zehn Monate in den Reaktoren gelebt. Weil sie nicht über Blutgefäße verfügten, die Nährstoffe und Sauerstoff ins Innere transportierten, sei die Größe der Organoide jedoch begrenzt. Die Zellen im Kern der Strukturen sterben deshalb ab, erklären die Wissenschaftler.

Untersuchungen belegten, dass die Organoide in verschiedene voneinander abgrenzbare Bereiche unterteilt waren, wie es auch bei Vorder-, Mittel- und Hinterhirn der Fall ist. Ähnlich wie bei der natürlichen Entwicklung der menschlichen Großhirnrinde bildeten sich verschiedene Schichten in der Organkultur, in denen unterschiedliche Zellpopulationen gebildet wurden, etwa Nervenzellen und Gliazellen. Einzelne, räumlich voneinander entfernt liegende Bereiche standen miteinander in Verbindung. Im Durchschnitt können die Gehirn-Organoide die Entstehung von Gehirnstrukturen bis in die neunte Schwangerschaftswoche imitieren.

In „Nature“ stellen die Forscher ein Beispiel für die Anwendung ihrer Organoide vor: die Erforschung der Mikrozephalie. Von dieser Entwicklungsstörung Betroffene haben einen außergewöhnlich kleinen Kopf und ein kleines Hirn. Sie sind in der Regel geistig behindert. Im Tierversuch mit Mäusen lässt sich diese Störung schlecht erforschen, weil entscheidende Entwicklungsschritte im Nagerhirn anders verlaufen.

Die Forscher entnahmen einem Mikrozephalie-Patienten einige Hautzellen, die sie zu iPS-Zellen umwandelten. Die anschließend gezüchteten Organoide verglichen sie mit solchen, die aus gesunden Zellen hervorgegangen waren. In den Mikrozephalie-Organoiden fand das Team insgesamt weniger Vorläuferzellen und mehr bereits ausdifferenzierte Nervenzellen. Bei Mikrozephalie beginnen die Stammzellen demnach zu früh damit, Neuronen zu bilden, anstatt sich weiter zu teilen und so ihre Zahl zu vergrößern. Schlussendlich können so weniger Nervenzellen gebildet werden.

In Zukunft möchten wir auch andere Krankheiten, die mit entwicklungsbiologischen Störungen des Gehirns in Zusammenhang stehen könnten - etwa Autismus oder Schizophrenie - in der Kultur nachbauen und erforschen.

Auch für die Pharmaindustrie könnten solche Kultursysteme von Bedeutung sein, etwa um die Wirkung von Arzneien und Chemikalien zu testen. Bisher geschieht dies entweder in Tierversuchen oder an Zellkulturen.

Trotz der fesselnden Daten sei die Realisierung eines „Gehirns in der Petrischale“ weiter außer Reichweite, kommentiert der deutsche Stammzellforscher Oliver Brüstle von der Universität Bonn die Untersuchung seiner Kollegen. Innerhalb der Organoide seien die verschiedenen Hirnbereiche zufällig verteilt. Sie besäßen nicht dieselbe Form und räumliche Organisation wie im Gehirn.

Mit der Arbeit sei aber eindrucksvoll gezeigt, dass solche Kulturen in der Entwicklungsbiologie und in der Biomedizin als Hilfsmittel eingesetzt werden könnten.