Labor-Minihirne überleben rekordverdächtige sieben Jahre
Wissenschaftler der Harvard University haben es geschafft, Gehirn-Organoide weit länger am Leben zu halten als je zuvor, sie reiften weiter und ‚erinnerten' den Zeitfluss auf zellulärer Ebene.
Wissenschaftler der Harvard University haben es geschafft, Gehirn-Organoide weit länger am Leben zu halten als je zuvor, sie reiften weiter und ‚erinnerten' den Zeitfluss auf zellulärer Ebene.
Wissenschaftlern ist es erstmals gelungen, pfefferkorngroße Ansammlungen menschlicher Gehirnzellen fast sieben Jahre lang in einem Labor am Leben zu halten. Diese sogenannten Organoide, aus Stammzellen gezüchtet, alterten auf eine Weise, die dem Gehirn in unseren Köpfen sehr ähnlich ist, was darauf hindeutet, dass sie auf zellulärer Ebene den "Zeitfluss aufgezeichnet" haben, berichtete das Team unter der Leitung der Biologin Paola Arlotta von der Harvard University in einer im Fachjournal Nature veröffentlichten Studie.
Organoide sind winzige, dreidimensionale Nachbildungen menschlicher Gewebe, die sich in Laborschalen selbst organisieren. Wissenschaftler weltweit nutzen sie, um die Geheimnisse unseres Gehirns zu entschlüsseln und neue Medikamente zu testen, ohne auf Tiere wie Mäuse angewiesen zu sein. Bisher überlebten diese Miniaturmodelle des Gehirns jedoch nur wenige Monate und boten Einblicke nur in die frühesten Entwicklungsstadien, während das menschliche Gehirn fast zwanzig Jahre braucht, um vollständig zu reifen.
Das von den US-amerikanischen National Institutes of Health (NIH) finanzierte Forscherteam konnte die Lebensdauer der Organoide verlängern, indem es das Gewebe in eine speziell entwickelte Flüssigkeit tauchte, die seine Aktivität erhöhte. Sie entdeckten, dass sich die Organoide über die Jahre hinweg weiter veränderten und reiften, obwohl sie nie Teil eines Embryos, geschweige denn eines Körpers waren. "Das Gehirn kann sich außerhalb des Kontexts einer Person über diesen beispiellosen Zeitraum hinweg weiterentwickeln", erklärte Arlotta, Professorin in Harvard.
Die Analyse mit drei verschiedenen Arten genetischer "Uhren" zur Bestimmung des biologischen Alters von Zellen bestätigte, dass sich die Organoide im Laufe der Zeit auf ähnliche Weise veränderten wie normale Gehirnzellen. Das Auftreten von Neuronen und ihrer unterstützenden Gliazellen folgte dem genauen Rhythmus der natürlichen postnatalen Entwicklung des menschlichen Gehirns. Darüber hinaus wurden die Neuronen funktionell reif, bildeten synaptische Verbindungen untereinander und sendeten elektrische Signale aus, die die Organoide mindestens zwei Jahre lang aufrechterhielten.
Um ihre Theorie weiter zu bestätigen, führten die Wissenschaftler das durch, was Arlotta als "verrücktes Experiment" beschrieb. Sie mischten Zellen, die sich ein Jahr lang entwickelt hatten, mit anderen, die erst zwei Wochen alt waren, und schufen so eine "Chimäre". Die jungen Zellen verhielten sich normal, aber die älteren "übersprangen einen ganzen Teil der Entwicklung" und begannen, Neuronen zu produzieren, für die normalerweise etwa vier Monate benötigt werden. Das verzerrte effektiv die "Zeit" für die Gehirnentwicklung.
"Ich denke gerne darüber als eine Art ‚Verzerrung der Entwicklungszeit' nach, was darauf hindeutet, dass die Zellen der Organoide die Zeit, die sie bereits in Kultur verbracht haben, aufzeichnen und sich daran erinnern", sagte Arlotta. "Das deutet darauf hin, dass ihre Entwicklung von einer inneren zellulären Uhr gesteuert wird, die die Mechanismen der endogenen Entwicklung des menschlichen Gehirns widerspiegelt." Trotz der Umgebung mit unreifen chemischen Signalen entwickelten sich die älteren Zellen weiter und reiften, als wären sie noch in ihrem ursprünglichen Organoid.
Die Implikationen der Studie sind bedeutend. Bisher haben Tiermodelle wie Mäuse einige Merkmale der Entwicklung unseres Gehirns reproduziert, aber ihr kurzer Lebenszyklus war nicht ideal für einen Prozess, der beim Menschen mehr als zwei Jahrzehnte dauert. Nun hat die erstaunliche Übereinstimmung zwischen biologischem und chronologischem Alter der Organoide endlich diese Barriere durchbrochen.
"Die beispiellose Langlebigkeit und die realistischen Qualitäten dieser Gewebemodelle könnten uns die Gelegenheit geben, tiefer zu erforschen, wie Erkrankungen wie Autismus später im Leben entstehen und sich entwickeln", sagte Andrea Beckel-Mitchener, kommissarische Direktorin des National Institute of Mental Health bei den NIH. Der nächste Schritt, so Arlotta, wird sein, die anatomische Komplexität dieser Strukturen zu erhöhen, genetische Störungen zu simulieren und neue Therapien zu testen.
Im Gegensatz zu den Gehirnen in unseren Köpfen haben diese Organoide keinen Körper, der krank werden und sterben kann. Auf die Frage, ob sie hypothetisch Menschen überleben könnten, antwortete Arlotta: "Niemand weiß das wirklich", und fügte hinzu, dass sie vermutet, dass sie noch etwas länger halten könnten. Das wird jedoch nicht mit den in dieser Studie verwendeten Organoiden geschehen, die kürzlich zerstört wurden.
