Organoide: Die Entwicklung der Großhirnrinde nachspielen

10.03.2017

Dreidimensionale Gehirnmodelle aus dem Labor, sogenannte Organoide, simulieren die Entwicklung des Gehirnes unglaublich präzise und spiegeln sogar die Ausprägung prominenter Gehirnregionen wie der Großhirnrinde wider, wie das Fachmagazin EMBO Journal in seiner aktuellen Ausgabe berichtet.

Diese Zeichnung veranschaulicht die bemerkenswerte Selbstorganisationsfähigkeit von Gehirnorganoiden, die es ihnen ermöglichen, die Entwicklung des menschlichen Gehirns in vitro nachzuspielen.

Wien, Heidelberg, 10. März Das wohl wichtigste Organ unseres Körpers steuert nicht nur sämtliche Körperfunktionen und Sinneseindrücke, sondern lässt uns auch kognitive Höchstleistungen vollbringen, abstrakte Gedanken formen und sogar über uns selbst und den Sinn des Lebens reflektieren. Umso erstaunlicher ist es, dass dieses mächtige Netzwerk aus vielen Milliarden von Nervenzellen, das all diese Prozesse erst möglich macht, seinen Ursprung in nur wenigen Zellen hat. Die Frage nach der komplexen Organisation des Gehirnes ist wohl eines der größten Rätsel der modernen Wissenschaften und beschäftig weltweit Forscherteams sämtlicher Disziplinen. Am Wiener IMBA – Institut für Molekulare Biotechnologie der Österreichischen Akademie der Wissenschaften – wurde bereits 2013 unter der Leitung von Jürgen Knoblich ein wesentlicher Meilenstein gesetzt, um das Faszinosum Gehirn und seine einzigartige Organisation besser zu verstehen.

Den ForscherInnen gelang es, im Labor Stammzellen zu gehirnartigen Strukturen wachsen zu lassen, die dem menschlichen embryonalen Gehirn erstaunlich ähneln. An den sogenannten Organoiden kann man erforschen, wie sich ein Organ normalerweise entwickelt und warum Störungen auftreten. Diese Methode macht es erstmals möglich, die Ausbildung von neurologischen Krankheiten, wie etwa Alzheimer, Parkinson, oder Schizophrenie direkt am menschlichen Gewebe zu studieren.

Bei der Zellbildung ist richtiges Timing alles
In der aktuellen Publikation des Fachmagazins EMBO Journal konnten die WissenschaftlerInnen anhand der Organoide beschreiben, wie sich die Zellen im heranwachsenden Gehirn zu bestimmten Zentren organisieren. Diese Zentren wiederrum lenken die Ausbildung bestimmter Hirn-Regionen. Die Zellbildung wird in diesen Zentren rigoros durch eine Reihe chemischer Signale gesteuert: Zellen, die zu einem unterschiedlichen Zeitpunkt gebildet werden, nehmen nicht nur einen bestimmten Platz im Zellverband ein, sie können sich auch unterschiedlich spezialisieren und entweder zu Neuronen oder zu Gliazellen werden. Die ForscherInnen konnten in den Organoiden zwei sogenannte Vorderhirnzentren lokalisieren, die sich an zwei Stellen – dorsal und ventral –gegenüberliegen. Diese Zentren lenken wiederum die Organisation von Zellen der wachsenden Großhirnrinde. „Tatsächlich kann man mit Gehirn-Organoiden diesen faszinierenden Entwicklungsprozess nachspielen und dabei in Echtzeit beobachten, wie die Nervenzellen wachsen, schließlich Schnittstellen mit anderen Nervenzellen bilden, und miteinander kommunizieren,“ zeigt sich Jürgen Knoblich begeistert über die neuartige Technologie, die seinem Labor am IMBA entstammt und bereits von vielen Forschungsgruppen weltweit aufgegriffen wurde.

Vielversprechende Organoide
Auch medizinische Anwendungen sind vielversprechend. „Man könnte etwa aus Zellen von Patienten, die an neurologischen Erkrankungen leiden, Organoide heranzüchten. So könnte man verstehen, wie es zu Fehlern in der molekularen Kommunikation zwischen den Zellen kommen kann, und welche Auswirkungen diese haben. Außerdem ließen sich so Pathogene untersuchen und Medikamente gezielt testen. Profunde Kenntnisse darüber, wie sich die Organoide unter „normalen Umständen“ verhalten und entwickeln, ebnen den Weg für mögliche klinische Anwendungen“ äußert sich Knoblich optimistisch über das gewaltige Potenzial seiner Gehirnmodelle aus dem Labor.

Über das EMBO Cover
Beata Mierzwa, Forscherin am IMBA und leidenschaftliche Wissenschaftsillustratorin, interpretiert mit ihrem Kunstwerk die erstaunliche Selbst-Organisation im Laufe der Gehirnentwicklung. Wie Yin und Yang liegen die beiden Vorderhirn-Zentren einander gegenüber und lenken die Entwicklung der Großhirnrinde (Neocortex).

Originalpublikation
Renner et al. 2017: "Developmental patterning and differentiation in cerebral organoids",  EMBO Journal
http://emboj.embopress.org/cgi/doi/10.15252/embj.201694700 

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