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Gehirn-Organoide liefern belastbare 3D-Modelle für die Untersuchung der neurologischen Entwicklung beim Menschen

Im Idealfall hat die Forschung direkten Zugang zum in der Entwicklung begriffenen Gehirn, damit die Abläufe verstanden werden können. Das ProTeAN-Projekt hat zu einer vergleichbaren Entwicklung beigetragen – 3D-Hirnmodelle namens Organoide.

Gesundheit

Ein Hindernis für ein besseres Verständnis von Autismus und anderer neurologischer Entwicklungsstörungen ist, dass die Forschung keinen Zugang zum Hirngewebe von lebenden Menschen hat, um diese Erkrankungen auf molekularer und zellularer Ebene zu untersuchen. Dies hat dazu geführt, dass man sich auf Tiermodelle beruft, die nicht gänzlich mit dem Menschen vergleichbar sind. Das durch eine Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahme unterstütze ProTeAN-Projekt konnte jedoch von neuen Durchbrüchen bei der Verwendung von Stammzellen profitieren, um 3D-Modelle zu schaffen, die als Organoide bezeichnet werden. Organoide können die Entwicklung des menschlichen Gehirns nachbilden. Sie können ebenfalls ausgereifte Hirnfunktionen wie etwa die Bildung aktivierter neuronaler Netze erwerben. Das Team erzeugte Gehirn-Organoide aus dentalen Stammzellen, die von Milch- oder Weisheitszähnen entnommen wurden. „Dieses Modell verleitet uns zu der Annahme, dass wir auf dem richtigen Weg für ein besseres Verständnis der menschlichen Biologie von neurologischen Entwicklungsstörungen sind“, sagt Catarina Seabra. Sie ist Stipendiatin des Projekts vom Zentrum für Neurowissenschaft und Zellbiologie an der Universität Coimbra in Portugal, die als Projektträger fungierte. Das Team richtete die erste dentale Stammzellen-Biobank in Portugal für die Untersuchung von Hirnerkrankungen ein. Sowohl die Kinderklinik Coimbra als auch die Universität Coimbra erteilten hierfür die ethische Zulassung. Die Zulassung ermöglichte die Umprogrammierung von Zellen, um sicherzustellen, dass sich diese in jede Art von Zelle entwickeln können (Pluripotenz). Die Biobank umfasst dentale Stammzellen, die von Patientinnen und Patienten mit Autismus sowie Kontrollgruppen genommen wurden. Diese hatten sich bereits für das EU-finanzierte Projekt Syn2Psy als wichtige Ressource erwiesen. Das Team wurde in nationalen Fernsehsendern wie RTP (Website auf Portugiesisch) und SIC (Website auf Portugiesisch) interviewt. Diese Sendungen erreichten in Portugal ein Publikum von über einer Million Menschen.

Von dentalen Stammzellen zu Gehirn-Organoiden

Das Ziel von ProTeAN war die Entwicklung von Gehirn-Organoiden, welche das Wachstum von Nervenzellen, den Bausteinen des Gehirns, in einer 3D-Umgebung ermöglichen und die komplexen Strukturen bilden, die beim Menschen auftreten. Die Organoid-Zusammensetzung sowie neuronale Eigenschaften wie z. B. die Komplexität und Kommunikation könnten dann im Labor getestet werden. Der Vergleich von Patientenproben mit Proben der Kontrollgruppe könnte offenbaren, was sich bei Autismus während der neuronalen Entwicklung oder Kommunikation ändert. Zur Gewährleistung ihrer Tauglichkeit wurden die dentalen Stammzellen durch eine Durchflusszytometrie – um Proteine an der Zelloberfläche zu identifizieren – und durch eine quantitative Echtzeit-Polymerasekettenreaktion – um die durch die Gene kodierten Proteine zu detektieren – charakterisiert. Diese Zellen wurden dann zur Entwicklung zu pluripotenten Stammzellen induziert und anschließend zur Erstellung der 3D-Gehirn-Organoide verwendet. „Wir bestimmten die wichtigsten Zeitskalen für ein besseres Verständnis der Meilensteine der Organoid-Entwicklung. Wir stellten fest, dass Gehirn-Organoide nach drei Monaten reife neuronale Marker exprimierten. Dies deutet auf ihr Potenzial als belastbare Modelle für die neurologische Entwicklung hin. Wir beobachteten aber lediglich bei sechs Monate alten Organoiden eine komplexe elektrische Aktivität“, merkt Seabra an.

Auf dem Weg zu einer personalisierten Medizin

Die im Rahmen des Projekts durchgeführte Arbeit könnte zu einer besseren Gesundheit und einem besseren Wohlbefinden aller Menschen mit neurologischen Entwicklungsstörungen beitragen, da die damit verbunden sozialen und wirtschaftlichen Auswirkungen gemindert werden. „In Zukunft gehen wir von der Verwendung patientenbasierter Gehirn-Organoide für die Gestaltung und Erprobung personalisierter Therapien aus. Jetzt steht die Verbesserung unseres Verständnisses von molekularen und zellularen Veränderungen bei neurologischen Entwicklungsstörungen auf grundlegender Ebene im Fokus“, erklärt João Peça, der das Projekt beaufsichtigt. Vor diesem Hintergrund analysiert das Team Patientenzellen aus der Biobank anhand genetischer Veränderungen, die mit einem Autismusrisiko verbunden sind, um die neuronalen Schaltungen und die biologischen Wege, die von diesen genetischen Veränderungen betroffen sind, besser zu verstehen.

Schlüsselbegriffe

ProTeAN, Organoid, Autismus, neurologische Entwicklung, Nervenzelle, Hirn, 3D-Modell, Stammzellen, pluripotent, personalisierte Therapien, Biobank

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