Österreichischen Forschern ist mit der Züchtung der ersten menschlichen Minigehirne ein neuer Durchbruch in der Stammzellenforschung gelungen. Diese sollen nicht nur das Verständnis von neurologischen Krankheiten verbessern, sondern auch dazu beitragen, wirksame Medikamente zu entwickeln.
Forschern des Instituts für Molekulare Biotechnologie (IMBA) der österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) in Wien gelang es nun aus Stammzellen, die aus einer Blastozyste eines Embryos entnommen wurden, sowie aus induzierten pluripotenten Stammzellen, die aus Hautzellen eines Probanden gewonnen und reprogrammiert wurden, menschliche Minigehirne zu züchten.
Während der ersten Phase, in der sich die gewonnen Stammzellen selbstständig zur ersten Entwicklungsstufe des menschlichen Nervensystems in der frühen Embryonalphase, einem Neuroektoderm, entwickelten, fand die Züchtung in einer Petrischale statt.
Im Anschluss wurde die Entwicklung der Zellanhäufung in einem speziellen, rotierenden Bioreaktor fortgesetzt, der die Zellen mit lebenswichtigen Nährstoffen versorgt. So konnte sich bereits nach 8 bis 10 Tagen ein neuronales Gewebe ausbilden, aus jenem sich nach 20 bis 30 Tagen spezialisierte Zellen aufzeigen ließen.
Nach insgesamt 2 Monaten wuchsen die Gehirne, die laut den Biologen unbegrenzt lebensfähig seien sollen, auf ihre Endgröße von 4mm heran. Die Hirne auf eine Größe heranzuzüchten, die mit der eines ausgewachsenem menschlichen Gehirns vergleichbar wäre, war den Forschern nicht möglich, da sich in den Hirnen keine lebensnotwendigen Blutgefäße ausbildeten. Diese sind jedoch nötig, um das Gehirn mit Sauerstoff und Nährstoffen zu versorgen. Die Umschüttung der lebensnotwendigen Stoffe durch den Reaktor, konnte nur die äußere Schicht versorgen, weshalb das Innere der Gehirne begann abzusterben.
Die Gehirne entwickelten sich daher nicht über den Stand eines Gehirns eines Embryos in der neunten Schwangerschaftswoche hinaus.
Dennoch ließen sich bereits deutliche Strukturen eines menschlichen Gehirns erkennen.
So die bereits genannten spezialisierten Zellen, wie sie in unterschiedlichen Hirnregionen, wie dem Vorder-, Mittel-, und Hinterhirn zu finden sind und die Schichtungen der Cortex, die sogenannte Rinde, in mehrere Zelllagen, die für den äußeren Rand des Gehirns typisch sind.
Weiterhin konnten Strukturen entdeckt werden, die dem Plexus choroideus ähneln. Dieses Adergeflecht in den Hirnventrikeln besteht aus speziellen Gliazellen, die unter anderem neben der Produktion von Liqour, auch für die Bildung der Blut-Liquor-Schranke verantwortlich sind.
Neben gesunden Minihirnen wurde auch bereits ein Gehirn gezüchtet, dass an Mikrozephalie leidet. Hierzu wurde einem Patienten eine Hautprobe entnommen, um aus den isolierten Fibroblasten iP- Stammzellen zu konstruieren, die die Grundlage für das kränkliche Gehirn bildeten. Nachdem dieses wiederum die Größe von 4mm erreicht hatte, verglichen die Wissenschaftler dieses Gehirn mit einem gesunden, um Aufschluss über den Gendefekt zu erlangen. Die Untersuchungen der verglichenen Hirne ergaben, dass die Krankheit auf eine Diskrepanz innerhalb der Nervenzellen zurückzuführen ist. So kommt es bei dem Gendefekt nämlich dazu, dass sich die Vorläuferzellen des Gehirns bereits zu speziellen Nervenzellen entwickeln, obwohl sie sich in ihrem Grundstatus noch nicht genügend vermehrt haben, was eine Voraussetzung für die spezifische Ausbildung ist. Die vorzeitige Ausreifung der mangelhaft vorhandenen Zellen ist verantwortlich für den frühzeitigen Entwicklungsstopp des Gehirns.
Nicht nur diese durch das Minihirn erworbene Kenntnis soll den Forschern in Zukunft von Nutzen sein, sondern auch weitere neurologische Krankheiten sollen auf diese Weise erforscht werden. So zum Beispiel Autismus oder Schizophrenie.
Des Weiteren soll auch die Pharmaforschung von den Gehirnen profitieren. Auswirkungen von Medikamenten auf das menschliche Nervensystem sollen erkannt und die Effektivität derer ermittelt werden.
Außerdem sollen die Versuche an Gehirnen von Mäusen eingeschränkt werden, da sich die Entwicklung der Gehirne eh fundamental von der eines menschlichen Gehirns unterscheidet, weshalb Untersuchungsergebnisse nur beschränkt brauchbar für den Menschen sind.
Veröffentlicht wurde die detaillierte Studie in der Fachzeitschrift „Nature“.