Welche Rolle spielen bestimmte Erbanlagen im Gehirn? Im Labor gezüchteten Mini-Gehirne könnten nun auf einfachere Weise als bisher Einblicke in diese Frage ermöglichen: Deutschen Forschern ist es gelungen, Hirnorganoide besonders schnell genetisch zu manipulieren. Mittels elektrischer Impulse schleusen sie dazu ringförmige DNA-Moleküle in die Nervenzell-Gebilde ein. Auf diesen „Datenträgern“ kodierte Informationen können dort anschließend abgelesen werden, verdeutlichen die Wissenschaftler am Beispiel von Fluoreszenz-Genen, die Leuchteffekte vermitteln.
Eine faszinierende Technik hat in den letzten Jahren Einzug in die Hirnforschung gehalten: Um verschiedene Fragen rund um unser Denkorgan zu klären, züchten Wissenschaftler im Labor aus Stammzellen Modell-Versionen des Gehirns. Diese wenige Millimeter großen Gebilde entwickeln dabei Gewebestrukturen und rudimentäre Reaktionsfähigkeiten, die denen ihrer Vorbilder ähneln. Dadurch können sie als Testsysteme dienen und somit problematische Untersuchungen an den menschlichen Originalen oder an Versuchstieren erübrigen. Ausführlich berichtet über diese Technologie ein Artikel in der Juni-Ausgabe 2023 von bild der wissenschaft.
Experimentelle Gen-Manipulationen sind aufwendig
Unter anderem gehen Wissenschaftler mithilfe von Hirnorganoiden der Frage nach, wie sich das Gehirn im Laufe der Evolution entwickelt hat und welche Gene für die hohen geistigen Fähigkeiten bei Primaten verantwortlich sind. In Einblicken kann dabei auch medizinischen Potenzial stecken: Ein besseres Verständnis der Rolle der Gene könnte Ursachen und Behandlungsmöglichkeiten von Hirnerkrankungen aufzeigen. Um Genfunktionen mithilfe von Hirnorganoiden auf die Spur zu kommen, züchten Wissenschaftler Versionen, in denen bestimmte genetische Programme ausgeschaltet oder aber aktiviert sind. Die Standardverfahren sind dabei allerdings bisher sehr aufwendig, langwierig und kostspielig.
Deshalb hat sich ein Forscherteam des Deutschen Primatenzentrums (DPZ) – Leibniz-Institut für Primatenforschung in Göttingen der Entwicklung einer „schlankeren“ Alternative gewidmet. Wie in der Organoid-Technologie üblich, erzeugen die Wissenschaftler ihre Mini-Gehirne aus sogenannten induzierten pluripotenten Stammzellen (iPS). Dabei handelt es sich um Versionen dieser Zellen, die durch bestimmte Behandlungen, etwa aus Hautzellen hergestellt wurden. Durch eine „Reprogrammierung“ wird ihnen die Fähigkeit wiedergegeben, verschiedene Gewebearten hervorzubringen, so auch Nervengewebe. So lassen sich Hirnorganoide von verschiedenen Primatenarten inklusive Menschen in Reagenzgläsern züchten.
„Schlagartig“ eingeführte DNA-Ringe
Statt der langwierigen Herstellung von Mini-Gehirnen mit schon von Beginn an im Genom verankerten Manipulationen, verpassen die Wissenschaftler bei ihrem Verfahren den Organoiden nun schnell und unproblematisch „genetische Kassetten“. „Wir nutzen für unsere Methode die Technik der Mikroinjektion und Elektroporation“, erklärt Arbeitsgruppenleiter Michael Heide vom DPZ. „Dabei wird genetisches Material mit einer sehr dünnen Kanüle in die Organoide injiziert und mithilfe eines kleinen elektrischen Impulses in die Zellen eingebracht“, erklärt der Wissenschaftler. Als Träger des genetischen Materials dienen sogenannte Plasmide. Dabei handelt es sich um ringförmige DNA-Moleküle, die normalerweise in Mikroorganismen vorkommen und in ihnen als zusätzliche Erbgutträger fungieren. In solche Plasmide lassen sich durch gentechnische Verfahren auch bestimmte Gene und Module künstlich einsetzten.
Die Forscher konnten nun dokumentieren, dass die Plasmide durch ihr Verfahren in Zellen von Hirnorganoiden eingeschleust werden können und anschließend auch Aktivität zeigen. „Das dauert nur wenige Minuten und die Hirnorganoide sind nach ein paar Tagen analysierbar“, sagt Heide. In der Machbarkeitsstudie verwendete das Team in den Plasmiden ein Gen, das zur Produktion eines grün fluoreszierenden Proteins (GFP) in den transformierten Zellen führt. Anhand der entsprechenden Leuchteffekte in den behandelten Hirnorganoiden konnten die Forscher verdeutlichen, dass ihr Konzept funktioniert. Zusätzlich zu diesem Reporter-Gen könnten somit auch genetische Programme in Zellen von Organoiden aktiviert werden, die im Interesse der Forschung stehen, erklären die Wissenschaftler.
Damit könnte sich die Methode nun zu einem Alternativ-Verfahren bei genetischen Manipulationen in der Organoid-Technologie entwickeln. „Die Methode eignet sich gleichermaßen für Hirnorganoide aus Menschen, Schimpansen, Rhesusmakaken und Weißbüschelaffen“, sagt Heide. „Das ermöglicht es uns, vergleichende Studien zur physiologischen und evolutionären Gehirnentwicklung bei Primaten durchzuführen und ist außerdem ein effektives Werkzeug, um genetisch bedingte neurologische Fehlbildungen zu simulieren, ohne dafür Affen in Tierversuchen einsetzen zu müssen“, sagt der Wissenschaftler.
Quelle: Deutsches Primatenzentrum GmbH – Leibniz-Institut für Primatenforschung
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