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Stammzellbiologie

Es werde Hirn!

2013 gelang am IMBA eine Weltsensation: Jürgen Knoblich und sein Team schafften es - zum allerersten Mal weltweit – aus menschlichen Stammzellen kleine dreidimensionale Gehirnmodelle wachsen zu lassen. Die kleinen Zellverbände werden Gehirn-Organoide genannt. Sie können bis zu 4 mm groß werden und bilden erstaunlich genau den Aufbau eines menschlichen Gehirns ab.

Das Potenzial der Gehirn-Organoide für die moderne biomedizinische Forschung ist enorm: man kann an ihnen die Entwicklung des Gehirns nachvollziehen, Krankheiten wie Epilepsie, Schizophrenie, uva., abbilden und studieren oder im großen Stil die Wirksamkeit von Medikamenten testen (screening).


"Eine große Hoffnung liegt in der gezielten Erforschung neurologischer und neurodegenerativer Erkrankungen, zu denen auch Epilepsie oder Alzheimer gehören. Vor dem Hintergrund unserer alternden Gesellschaft würde eine Lösung dieser Herausforderungen auch enorme wirtschaftlichen Auswirkungen mit sich ziehen."

Jürgen Knoblich

Interim. wissenschaftlicher Direktor

Gehirnforschung am IMBA

Am IMBA werden die Gehirn-Organoide beispielsweise dazu genutzt, um neue Erkenntnisse für die Erkrankungen Autismus, Schizophrenie und Epilepsie zu gewinnen. Im Rahmen einer Zusammenarbeit mit dem AKH Wien hoffen die Forscher auf rasche klinische Durchbrüche: Bei zwei seltenen Formen der Epilepsie wurden jeweils drei Patienten Blutproben entnommen. Daraus wurden Stammzellen gewonnen, die nun am IMBA zu Organoiden heranwachsen, um künftig mehr über die Ursache der Epilepsie bei diesen Patienten zu erfahren. Weitere Forschungsprojekte beleuchten das fetale Alkohol-Syndrom sowie Infektionen mit dem Zika-Virus, die beide zu einer beträchtlichen Verkleinerung des Großhirnes führen.

Wie züchtet man ein Gehirn-Organoid?

Gezüchtet werden die frühen Entwicklungsstadien des menschlichen Gehirns aus menschlichen Stammzellen. Diese werden meist aus Gewebe gewonnen, z.B. aus einem kleinen Stück Haut oder einer Blutprobe. Die darin befindlichen Körperzellen werden zunächst isoliert, aufgereinigt und danach chemisch zu Stammzellen verjüngt, man spricht von „induziert pluripotenten Stammzellen (iPS-Zellen)“. Aus ihnen kann theoretisch wieder ein gesamter Organismus entstehen. Im Fall der Gehirn-Organoide bringen die ForscherInnen die Stammzellen dazu, sich zu Nervenzellen, sogenannten Neuronen weiterzuentwickeln. Auch andere Organoide lassen sich bereits züchten, etwa Darm, Herzgewebe oder sogar Tumororganoide.

Ganz am Anfang der Entwicklung steht die Entstehung der drei Keimblätter – Endoderm, Mesoderm und Ektoderm. Weil das Gehirn nur aus dem äußersten Keimblatt, dem Ektoderm, entsteht, werden nur diese Zellen in ein Nährmedium eingebracht, in dem sich nur diese äußerte Keimschicht entwickeln kann. Das entstehende Gewebe wird in einem anderem Nährmedium weitergezüchtet: “Matrigel“, eine konzentrierte gelatineartige Substanz, die die natürliche Umgebung von Zellen in diesem Entwicklungsstadium nachahmt. Die heranwachsenden „Gehirnknospen“ gedeihen schließlich in einer Wachstumskammer bei Körpertemperatur heran, wobei sie stetig von Nährlösung umspült werden. Dadurch werden die Gehirn-Organoide mit Nahrung versorgt. Sie können einen Durchmesser von 4 mm erreichen und bis zu einer Million Gehirnzellen umfassen, die sogar chemisch miteinander kommunizieren. Die Organoide spiegeln dabei die Entwicklung des menschlichen Gehirnes unglaublich präzise wieder und bilden sogar prominente menschliche Gehirnstrukturen wie die Großhirnrinde aus. Wird eine gewisse Größe überschritten, beginnen die Zellen im Inneren des Organoids abzusterben, weil sie nicht mehr mit Nährstoffen versorgt werden. Zur Versorgung wäre es notwendig, Blutgefäße in die Gehirnstruktur einwachsen zu lassen - eine der nächsten großen Herausforderungen für die ForscherInnen.


"Wir stehen gerade am Rande einer Revolution in der Biomedizin."

Jürgen Knoblich

Interim. wissenschaftlicher Direktor

Ein weiterer entscheidender Vorteil der Organoide ist ihre Nähe zum Menschen. Da sie aus menschlichen Stammzellen gezüchtet werden, lassen sich unmittelbar Rückschlüsse zum menschlichen Organismus ziehen. Je nach Ausgangsmaterial sogar zu einzelnen Patienten – ein immenser Vorteil, wenn etwa getestet werden soll, ob ein Medikament bei einem bestimmten Patienten anspricht. 

Herkömmliche Gehirnforschung ist stark auf den Einsatz von Tiermodellen angewiesen, was einerseits aus ethischen Gründen immer wieder zu Diskussionen führt, und eben andererseits oft nur unzureichend Rückschlüsse auf menschliche Erkrankungen zulässt. Woher soll erkannt werden, dass beispielsweise eine Maus an Schizophrenie erkrankt ist bzw. existiert dieses Krankheitsbild bei Mäusen überhaupt? Das Gehirn ist zudem das komplexeste Organ des Körpers. Selbst die gesunde Entwicklung eines menschlichen Gehirns unterscheidet sich erheblich von der eines Tieres.

Die neue Technologie der Organoid-Forschung hilft also nicht nur, den Einsatz von Versuchstieren zu reduzieren, sondern bietet auch erstmals die Möglichkeit, systematisch die Entwicklung und die Erkrankungen des Gehirns zu studieren, sowie neuartige Substanzen und Therapien gefahrlos an menschlichem Material zu testen und so sehr viel schneller zum Patienten zu bringen.