Es besteht aus Milliarden Gehirnzellen, ist flexibel organisiert und seine Funktionen beruhen auf mehr als nur der Summe seiner Teile: Unser Gehirn ist ein faszinierendes und hochkomplexes Organ – und entsprechend schwer zu ergründen. Trotz aller Fortschritte in der Neurowissenschaft, Studien an Tiermodellen und modernen bildgebenden Verfahren sind viele Prozesse und Zusammenhänge in unserem Denkorgan noch immer nicht vollständig verstanden. Forscher suchen daher schon seit geraumer Zeit nach Möglichkeiten, die Entwicklung des menschlichen Gehirns „im Reagenzglas“ nachzubilden. Dafür werden in der Regel menschliche Zellen so reprogrammiert, dass sie in den undifferenzierten Zustand der Stammzellen zurückfallen. Aus diesen Zellen wiederum lassen sich dann durch gezielte Manipulation der Kulturumgebung dreidimensionale Zellansammlungen aus Gehirnzellen züchten, die bereits erste Ansätze der Vernetzung und Funktion zeigen.
Von der Stammzelle zum Organoid
Einen neuen Typ solcher Hirn-Organoide haben nun Forscher um Maria-Patapia Zafeiriou von der Universitätsmedizin Göttingen erzeugt. Ihre Bioengineered Neuronal Organoids (BENOs) entstehen aus humanen induzierten Stammzellen, die durch pharmakologische und elektrische Stimulationen dazu gebracht werden, sowohl Neuronen als auch Gliazellen zu bilden. Letztere bilden das Stützgerüst für die Neuronen und isolieren sie elektrisch gegeneinander, tragen aber über die Ausschüttung von Hirnbotenstoffen wie Glutamat auch zur Weiterleitung von Signalen bei. Vor allem die sternförmig verzweigten Astrozyten unter den Gliazellen sind damit eine wichtige funktionelle Komponente unseres Gehirns. Für höhere Gehirnfunktionen müssen aktivierende und inaktivierende Nervenzellen in direkter Nachbarschaft zu den Gliazellen eng und zugleich dynamisch verschaltet sein. Störungen dieser Verschaltung gelten als mögliche Ursache für die klinischen Symptome neurodegenerativer Erkrankungen.
Bei der Züchtung ihrer Hirn-Organoide konnten Zafeiriou und ihre Kollegen mitverfolgen, wie aus Vorläufern allmählich ein Proto-Hirn aus Neuronen und Gliazellen entstand. Nach acht bis 15 Tagen waren die ersten Marker für neuronale Vorläuferzellen nachweisbar, ab dem 18. Tag zeigten sich die ersten Anzeichen für ausdifferenzierte Neuronen, wie sie berichten Ab dem 50. Tag beobachteten die Forscher dann auch die Biomarker von fertigen Gliazellen. Während der Zellklumpen sich allmählich zu einem Hirn-Organoid formte, begannen sich auch die Neuronen in verschiedene Typen auszudifferenzieren: “Zwischen dem 28. und 60. Tag ließen sich zunehmend Marker für Glutamin-, GABA- und Catecholamin-produzierende Neuronen identifizieren, ebenso Transkripte die mit synaptischer Übertragung und Ionenkanälen verknüpft waren”, berichten die Wissenschaftler. Damit zeigten die BENOs bereits morphologische Eigenschaften des menschlichen Gehirns.
