Das Gehirn, die Augen und andere Gewebetypen – wie entstehen und funktionieren diese komplexen Strukturen unseres Körpers? Seit einiger Zeit steht der Wissenschaft eine neue Technologie zur Verfügung, um „im Reagenzglas“ Einblicke in diese Fragen zu gewinnen. Dazu nutzen Forscher sogenannte induzierte pluripotente Stammzellen (iPSCs) – Körperzellen, die so reprogrammiert wurden, dass sie in den undifferenzierten Zustand zurückfallen und sich erneut zu unterschiedlichen Gewebetypen entwickeln können. Durch bestimmte Techniken lassen sich die iPSCs dann dazu anregen, in Nährmedien dreidimensionale Zellansammlungen auszubilden, die Merkmale bestimmter Körperstrukturen aufweisen – Organoide.
Zwei-Komponenten-Oganoide
So wurden bereits Versionen dieser Gebilde erzeugt, die aus Nervenzellen bestehen und grundlegende Strukturen und Merkmale hervorbringen, die denen des Gehirns ähneln. Diese Gehirn-Organoide sollen der Untersuchung von neuronalen Entwicklungsprozessen und den Ursachen zerebraler Erkrankungen dienen. Forscher haben das Organoid-System außerdem bereits genutzt, um unterschiedliche Strukturen des visuellen Systems im Labor nachzubilden. So konnten sie etwa die Sehnervenkappe erzeugen, aus der die Netzhaut entsteht – die lichtempfindliche Gewebeschicht am hinteren Teil des Auges. Es gelang außerdem bereits iPSCs dazu anzuregen, Sehnapf-ähnliche Strukturen hervorzubringen.
Den Wissenschaftlern um Jay Gopalakrishnan von der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf ist es nun gelungen, Gehirn-Gewebe und visuelle Strukturen in einem Organoid-System zu vereinigen. Dies ähnelt somit dem natürlichen Vorbild des Körpers, bei dem diese beiden Elemente eng miteinander verknüpft sind. Die Forscher modifizierten für ihre Verfahren ein Protokoll, das sie zuvor für die Umwandlung von menschlichen iPSCs in neuronales Gewebe entwickelt hatten. Wie sie berichten, erreichten sie ihr Ziel durch die Zugabe einer Substanz, die bekanntermaßen an der Augenentwicklung beteiligt ist: Als sie Retinolacetat in einem speziellen Stadium der Ausdifferenzierung des Zellkumpens dem Nährmedium beifügten, kam es zur Bildung der Augen-spezifischen Strukturen.
Lichtempfindlich und verdrahtet
Nach 30 Tagen zeichnete sich die Genese der paarigen optischen Becher bei den Hirn-Organoiden ab und innerhalb von 50 Tagen reiften sie dann aus. Dieser Zeitrahmen entspricht auch der Netzhautentwicklung im menschlichen Embryo, erklären die Forscher. “Unsere Arbeit unterstreicht die bemerkenswerte Fähigkeit von Hirn-Organoiden, primitive sensorische Strukturen zu erzeugen, die lichtempfindlich sind und Zelltypen beherbergen, die denen im Körper ähneln”, sagt Gopalakrishnan. Denn wie die Untersuchungen zeigten, enthielten die Strukturen verschiedene Zelltypen der Netzhaut, die elektrisch aktive neuronale Netzwerke ausbildeten, die auch auf Licht reagierten.
