Bei der Erforschung des menschlichen Gehirns standen Generationen von Wissenschaftlern die Gehirne von Mäusen Modell. Das Problem: Die Denkorgane der kleinen Nager entwickeln sich vollkommen anders als ihr humanes Pendant, so dass besonders Rückschlüsse auf den Einfluss menschlicher Erbkrankheiten bei der Gehirnentwicklung schwierig sind. Um dieses Dilemma zu lösen, haben Wiener Forscher einen neuen Weg eingeschlagen und die frühen Stadien des menschlichen Denkapparates in einem dreidimensionalen Organkultursystem nachgebildet. Diese nennen sie gehirnähnliche Organoide oder Mini-Brains. 

Forscher imitieren Gehirnstrukturen bis in die neunte Schwangerschaftswoche

Die Forscher verwenden bei der Herstellung dieser Mini-Brains embryonale Stammzellen und pluripotente Stammzellen (iPS Zellen) aus Patientengewebe. Durch ein spezielles Kulturverfahren gelingt es ihnen, die frühen Entwicklungsstadien des Großhirns und des Hippokampus nachzubilden.

„Wie unsere Ergebnisse zeigen, haben menschlichen Stammzellen bemerkenswerte Fähigkeiten, sich selbst zu organisieren“, erklärt Stammzellenforscher Dr. Jürgen Knoblich vom Institut für Molekulare Biotechnologie (IMBA) an der österreichischen Akademie der Wissenschaften. „Die Zellen bilden, wenn man sie sich sozusagen selbst überlässt, überraschend komplexe Strukturen aus, anhand derer man auch die Aktivität der Nervenzellen und die Kommunikation zwischen den Zellen studieren kann.“

Nach acht bis zehn Tagen entsteht in der Kultur neuronales Gewebe, nach 20 bis 30 Tagen haben sich die Zellen zu unterschiedlichen Hirnregionen entwickelt. Im Durchschnitt können die Forscher mit den Mini-Brains die Entstehung der Gehirnstrukturen bis in die neunte Schwangerschaftswoche imitieren. Dann allerdings ist Schluss. Denn in späteren Phasen erfolgt die Sauerstoffversorgung durch die Blutbahn. Und Blutgefäße ließen sich bislang nicht generieren. 

Neues 3D-Kultursystem erleichtert Erforschung von Autismus und Schizophrenie

Die Forscher haben die gehirnähnlichen Organoide bereits als Modell für die Nachbildung eines Gehirndefekts genutzt. Es geht dabei um eine Entwicklungsbesonderheit namens Mikrozephalie, die meist mit einer geistigen Behinderung einhergeht, weil Kopf und Gehirn vergleichsweise klein bleiben. „Mit Hilfe unseres neu entwickelten Systems konnten wir Mikrozephalien aus menschlichen Stammzellen erfolgreich in der Kultur nachstellen“, sagt Knoblich. In Zukunft möchten die Wissenschaftler auch andere Krankheiten, die mit entwicklungsbiologischen Störungen des Gehirns in Zusammenhang stehen könnten – etwa Autismus oder Schizophrenie – in der Kultur nachbauen und erforschen. 

Modell ist auch für die Pharmaindustrie von Bedeutung

Das neue 3D-Kultursystem sei wichtig für die Zukunft der Stammzellenforschung, ist Madeline Lancaster, Erstautorin der Studie, überzeugt: „Der entscheidende Vorteil des neuen Systems sind optimierte Kulturbedingungen, welche die Übereinstimmung zwischen Kultur und tatsächlicher Gehirnentwicklung entscheidend verbessert haben.“

Die Nachbildung menschlicher Gehirnstrukturen könnte in Zukunft auch in der pharmazeutischen und chemischen Industrie von Bedeutung sein, wenn es darum geht, die Auswirkung von Chemikalien auf frühe Stadien der Gehirnentwicklung zu untersuchen.