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Organoid-Forschung: „Mini-Gehirne“ entwickeln Augen

© Foto : Elke GabrielGehirn-Organoide
Gehirn-Organoide - SNA, 1920, 28.08.2021
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Gehirn-Organoide sind winzige Kugeln aus Nervengewebe, die aus Stammzellen herangezüchtet werden und in Laborversuchen echte Gehirne simulieren sollen. Nun haben diese Gebilde plötzlich in einem Labor in Düsseldorf überraschend Augen entwickelt. Wie war das möglich? Und wie steht es um die Ethik? SNA hat nachgefragt.
Organoide sind organartige Strukturen, die aus Stammzellen herangezüchtet werden und echte Organe in Miniatur-Format nachbilden sollen. Alles ist möglich: Mini-Herzen, Mini-Nieren und Mini-Bauchspeicheldrüsen sind nur ein paar Beispiele.
Kein Wunder, denn die Organoide sind laut einigen Forschern wahre Alleskönner: Man soll an ihnen Grundlagenforschung betreiben und Gewebe- und Organbildung studieren können. An ihnen kann man Medikamente erproben und dadurch den Verschleiß an Tieren verringern, der sowieso seine Nützlichkeitsgrenzen hat, da Mäuse bekanntlich schon von allem geheilt sind – nicht aber so der Mensch. Mini-Organoide eignen sich auch als Studienobjekte für virale oder bakterielle Infektionen unter dem Mikroskop.
Da Organoide aus allen möglichen Zellen bestehen können, ist es nicht verwunderlich, dass auch an „Mini-Gehirnen“ geforscht wird. Von der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf hieß es vor einer Woche: Die Mini-Gehirne haben primitive Augen ausgebildet.
Zur Beruhigung: Die Organoide waren gerade einmal etwa einen halben Millimeter groß. Allerdings war das Gewebe bereits grob so ausgerichtet, wie es vom Gehirn bekannt ist und hat eine einfache Linse, Hornhaut und einen Vorläufer der Netzhaut aufgewiesen. Auf dem Weg zu dem, was wir als Sehen bezeichnen, waren diese Mikrogebilde also irgendwie schon.
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Wie sind aber Forscher zu diesem Ergebnis gekommen? Und wie ist es um die Frage von Bewusstsein bestellt? Das wollte SNA News von Jay Gopalakrishnan vom Institut für Humangenetik in Düsseldorf wissen.
Herr Gopalakrishnan, war diese Entwicklung der Augen etwas, das Sie zu erreichen planten?
Es war geplant, kam aber dennoch überraschend und unerwartet. Das ist es, was Wissenschaft bedeutet. Unser Hauptinteresse liegt ja in der Erforschung der menschlichen Gehirnentwicklung und neurologischer Entwicklungsstörungen wie der Mikrozephalie (Fehlentwicklung von Kopf und Gehirn, die sehr klein ausfallen – Anm. d. Red.).
Zu diesem Zweck erzeugen wir aus Hautzellen Hirn-Organoide. Diese Hirnorganoide rekapitulieren die frühe menschliche Hirnentwicklung in vielen Aspekten. Wir wissen auch, dass die Augen während der Embryonalentwicklung aus dem Vorderhirn – dem sogenannten Zwischenhirn – gebildet werden. Deshalb haben wir vermutet, dass die Hirngewebe, die wir im Labor entwickeln, auch augenähnliche Strukturen ausbilden sollten.
Während der Optimierung des Versuchsprotokolls hat meine Postdoktorandin Elke Gabriel verschiedene neue Wachstumsbedingungen für die Gehirn-Organoide ausprobiert. Dazu gehörte es auch, dem Nährmedium zu einem bestimmten Zeitpunkt Retinol-Acetat zuzugeben. Das ist eine Substanz, die in der Frühphase der Augenentwicklung von großer Bedeutung ist. Eines Tages kam sie plötzlich und zeigte mir etwas Aufregendes: kleine Hirnorganoide mit zwei schwarzen Punkten.
Was bedeutet diese Entwicklung für die Grundlagenforschung?
Bislang ist es den Forschern gelungen, Hirn-Organoide oder Netzhaut-Organoide zu erzeugen. Wir haben eine Methode gefunden, bei der sich beides in einem einzigen Organoid entwickelt. Das bedeutet, dass Organoide nicht nur kleine chaotische Zellklumpen sind, sondern sich polarisieren und selbstorganisiert zusammensetzen können. Organoide scheinen die Entwicklung in vivo besser nachzuahmen als erwartet. Für die Forschung bedeutet dies, dass Organoide ein wertvolles Modell für die Untersuchung der Entwicklung des menschlichen Gehirns beziehungsweise Auges sind, wo Tiermodelle unzureichend sind oder ersetzt werden sollen.
Für welche medizinische Forschung sind solche Organoide von Interesse?
Hirn-Organoide werden hauptsächlich zur Untersuchung menschlicher Neuroentwicklungsstörungenwie Mikrozephalie verwendet, die entweder genetisch bedingt sind oder durch Umweltfaktoren wie das Zika-Virus oder Sars-Virusinfektionen ausgelöst werden. Wir haben kürzlich mit diesen Viren gearbeitet und gezeigt, dass Hirn-Organoide helfen, die Infektionsmechanismen zu verstehen. Wir untersuchen auch, wie sich Hirntumore entwickeln. Auch dafür verwenden wir Hirn-Organoide. Es ist also unbestreitbar, dass sie sehr nützliche Gewebe sind.
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Beim Sehen werden Signale von der Netzhaut zum Gehirn übertragen. Passiert das auch bei solchen Gehirn-Organoiden?
Ja, wir sind überzeugt, dass es eine Signalübertragungzwischen den Augen und dem Hirngewebe gibt. Unsere genomischen Untersuchungen haben gezeigt, dass die augenähnlichen Strukturen den Lichtreiz erkennen und ihn an den so genannten „Nucleus geniculatus lateralis“ weiterleiten, das Zentrum der Sehbahn für die Signalübertragung und -verarbeitung.
Experimente mit Föten sind oft aus ethischer Sicht problematisch. Da stellt sich die Frage, wo die Grenze zwischen einem Zellklumpen und einem Lebewesen gezogen wird. Hier haben wir keinen sich bildenden Körper. Wir haben nur einen winzigen Teil, aber dafür den zentralen Teil für das Bewusstsein. Inwieweit sind aus Ihrer Sicht ethische Bedenken im Falle der Hirn-Organoide berechtigt?
Natürlich sind wir uns dieses Punktes bewusst und fragen uns, inwieweit diese Organoide ein Bewusstsein haben und zum Beispiel Schmerzen empfinden. Das Bewusstsein ist schwer zu testen, aber es reagiert wahrscheinlich auf Schmerzauslöser wie Capsaicin (scharfer Stoff, der in Paprika-Arten vorkommt – Anm. d. Red.).
Eine unserer Motivationen, diese Organoide als In-vitro-Modelle weiterzuentwickeln, besteht jedoch darin, Tierversuche zu ersetzen oder zumindest zu reduzieren. Bei Tieren wissen wir alle, dass sie ein Bewusstsein haben und Schmerz empfinden. Bislang ist das Organoid-Modell frei von ethischen Bedenken. Meiner Meinung nach sind Organoide im Vergleich zu lebenden Tiermodellen einfach und bieten höchstwahrscheinlich ähnliche Ergebnisse. Wichtig ist, dass Organoide nur einen Teil des Körpers darstellen, nicht einen vollständigen Körper. Daher ist die Forschung an Organoiden ethisch unproblematisch, solange wir unsere Grenzen kennen.
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