Vor wenigen Jahren konnte ein Forschungsteam rund um Jürgen Knoblich vom IMBA – Institut für Molekulare Biotechnologie der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) erstmals dreidimensionale Gehirnmodelle aus menschlichen Stammzellen in einem Labor züchten. Mit diesen Organoiden lässt sich die menschliche Organentwicklung präzise studieren.
Dadurch können neurologische Krankheiten gezielt erforscht, Medikamente direkt am menschlichen Gewebe getestet und somit Tierversuche reduziert werden. Seit dieser Entdeckung konnten neue Erkenntnisse über Krankheiten wie Epilepsie, Schizophrenie oder Mikrozephalie gewonnen werden. Doch das Forschungsteam feilte auch an neuen Technologien, um die Gehirnentwicklung eines heranwachsenden Embryos noch besser simulieren zu können.
„Upgrade“ für Organoide
Nun ist es den Forscher/innen der ÖAW gelungen, die Gehirn-Organoide biotechnologisch weiterzuentwickeln, wie sie in der aktuellen Ausgabe des Fachmagazins „Nature Biotechnology“ berichten. „Wir kombinierten die erstaunliche Fähigkeit der Stammzellen, sich selbst in Zellverbänden zu organisieren, mit einer formgebenden Struktur. Dieses Gerüst aus Polymer-Fäden schwimmt im Nährmedium und wird von den Zellen bevölkert“, erklärt Madeline Lancaster, die Erstautorin der Studie.
Während sich Organoide zuvor zu kleinen rundlichen Zellhaufen organisierten, wuchsen die biotechnologisch verstärkten Modelle zu länglichen, scheibenförmigen Gebilden heran, die dem embryonalen Gehirn im sich entwickelnden Embryo noch stärker ähneln. „Diese sogenannten engineered Cortical Organoids oder enCORs sind in ihrer Entwicklung einheitlicher und lassen sich im Labor sehr gut reproduzieren, obwohl die für Organoide typische Selbst-Organisation erhalten bleibt. Es ist das erste Mal, dass Gehirn-Organoide mit biotechnologischen Methoden kombiniert wurden,“ ergänzt die junge Forscherin, die bereits 2013 zusammen mit Jürgen Knoblich, der stellvertretender Direktor des IMBA der ÖAW ist, die ersten Gehirnmodelle im Reagenzglas gezüchtet hat und nun am MRC Laboratory of Molecular Biology in Cambridge ihre eigene Forschungsgruppe leitet.
Das biotechnologische „Upgrade“ erlaubt eine gesteuerte Selbst-Organisation der enCORs. Die Organoide wachsen vorhersehbarer und einheitlicher heran, obwohl die typischen Eigenschaften der verschiedenen Zellverbände erhalten bleiben. So entwickelt sich etwa die sogenannte Rindenplatte – aus der sich im Laufe des Wachstums die Großhirnrinde bildet – bei den „biotechnologisch aufgerüsteten“ Organoiden noch besser als bisher.
Neue Generation
„Diese neue Generation von Organoiden zeichnet sich dadurch aus, dass sich längliche, scheibenförmige Strukturen bilden. Die enCORs ähneln dem Gehirn im menschlichen Embryo noch stärker als bisherige Modelle und bieten den Nervenzellen mehr Oberfläche. Dadurch können wir das Verhalten der Zellen noch besser beobachten, etwa wie Nervenzellen in einem Teil des Gehirns gebildet werden, in ein anderes Areal wandern und wie sie schließlich ihren richtigen Platz finden. Wir können auch gezielt erforschen, was dabei schiefgehen kann“, erklärt Jürgen Knoblich.
„Dank der neuen Methode werden wir hoffentlich in Zukunft weitere wichtige Erkenntnisse über Fehlbildungen und Fehlfunktionen des Gehirnes wie Schizophrenie, Epilepsie und Autismus ziehen können“, zeigt sich Knoblich optimistisch über die nächste Generation der Gehirn-Organoide.
