Gehirnorganoide mit Sehbechern am 60. Tag der Entwicklung. (Gabriel et al., Cell Stem Cell, 2021) In einem Labor gezüchtete Mini-Gehirne aus Stammzellen haben spontan rudimentäre Augenstrukturen entwickelt, berichten Wissenschaftler in einer faszinierenden neuen Arbeit.
Auf winzigen menschlichen Gehirnorganoiden, die in Schalen gezüchtet wurden, konnte beobachtet werden, dass zwei bilateral symmetrische Augenbecher wuchsen, was die Entwicklung von Augenstrukturen in menschlichen Embryonen widerspiegelte. Dieses unglaubliche Ergebnis wird uns helfen, den Prozess der Augendifferenzierung und -entwicklung sowie Augenkrankheiten besser zu verstehen.
„Unsere Arbeit unterstreicht die bemerkenswerte Fähigkeit von Gehirnorganoiden, primitive sensorische Strukturen zu erzeugen, die lichtempfindlich sind und Zelltypen beherbergen, die denen im Körper ähneln.“ sagte der Neurowissenschaftler Jay Gopalakrishnan des Universitätsklinikums Düsseldorf in Deutschland.
„Diese Organoide können dabei helfen, Gehirn-Auge-Interaktionen während der Embryonalentwicklung zu untersuchen, angeborene Netzhauterkrankungen zu modellieren und patientenspezifische Netzhautzelltypen für personalisierte Arzneimitteltests und Transplantationstherapien zu generieren.“
(Elke Gabriel)
Gehirnorganoide sind keine echten Gehirne, wie Sie vielleicht denken. Dabei handelt es sich um kleine, dreidimensionale Strukturen, die aus induzierten pluripotenten Stammzellen gewachsen sind – Zellen, die erwachsenen Menschen entnommen und durch Reverse Engineering in Stammzellen umgewandelt wurden, die das Potenzial haben, in viele verschiedene Gewebetypen hineinzuwachsen.
In diesem Fall werden diese Stammzellen dazu gebracht, zu Gehirngewebeklumpen zu wachsen, ohne dass etwas an Gedanken, Emotionen oder Ähnliches erinnert Bewusstsein . Solche „Mini-Gehirne“ werden für Forschungszwecke verwendet, bei denen der Einsatz tatsächlicher lebender Gehirne unmöglich oder zumindest ethisch schwierig wäre – zum Beispiel zum Testen von Arzneimittelreaktionen oder zur Beobachtung der Zellentwicklung unter bestimmten widrigen Bedingungen.
Dieses Mal wollten Gopalakrishnan und seine Kollegen die Augenentwicklung beobachten.
In früheren Forschungen hatten andere Wissenschaftler embryonale Stammzellen verwendet, um Augenhöhlen zu züchten, die Strukturen, zu denen sich entwickeln fast den gesamten Augapfel während der Embryonalentwicklung. Und andere Forscher hatten aus induzierten pluripotenten Stammzellen augenbecherartige Strukturen entwickelt.
Anstatt diese Strukturen direkt wachsen zu lassen, wollte Gopalakrishnans Team sehen, ob sie als integrierter Teil von Gehirnorganoiden gezüchtet werden können. Dies würde den Vorteil bieten, zu sehen, wie die beiden Gewebetypen zusammenwachsen können, anstatt nur isoliert optische Strukturen wachsen zu lassen.
„Die Augenentwicklung ist ein komplexer Prozess, und sein Verständnis könnte es ermöglichen, die molekularen Grundlagen früher Netzhauterkrankungen zu untermauern.“ schrieben die Forscher in ihrer Arbeit .
„Daher ist es von entscheidender Bedeutung, Sehbläschen zu untersuchen, die den Ursprung des Auges darstellen und deren proximales Ende am Vorderhirn befestigt ist, was für die richtige Augenbildung unerlässlich ist.“
Frühere Arbeiten zur Entwicklung von Organoiden zeigten Hinweise auf Netzhautzellen, diese entwickelten jedoch keine optischen Strukturen, weshalb das Team seine Protokolle änderte. Sie versuchten nicht, die Entwicklung rein neuronaler Zellen in den frühen Stadien der neuronalen Differenzierung zu erzwingen, und fügten dem Kulturmedium Retinolacetat hinzu, um die Augenentwicklung zu unterstützen.
(Gabriel et al., Zellstammzelle , 2021)
Ihre sorgfältig gepflegten Babygehirne bildeten bereits nach 30 Tagen in der Entwicklung Augenbecher, wobei die Strukturen nach 50 Tagen deutlich sichtbar waren. Dies steht im Einklang mit der Zeitpunkt der Augenentwicklung im menschlichen Embryo , was bedeutet, dass diese Organoide für die Untersuchung der Feinheiten dieses Prozesses nützlich sein könnten.
Es gibt auch andere Implikationen. Die Augenhöhlen enthielten verschiedene Arten von Netzhautzellen, die sich in neuronalen Netzwerken organisierten, die auf Licht reagierten, und sogar Linsen- und Hornhautgewebe. Schließlich zeigten die Strukturen eine retinale Verbindung zu Regionen des Gehirngewebes.
„Im Gehirn von Säugetieren strecken sich die Nervenfasern retinaler Ganglienzellen aus, um sich mit ihren Gehirnzielen zu verbinden, ein Aspekt, der noch nie zuvor in einem In-vitro-System gezeigt wurde.“ sagte Gopalakrishnan .
Und es ist reproduzierbar. Von den 314 Gehirnorganoiden, die das Team züchtete, entwickelten 73 Prozent Augenhöhlen. Das Team hofft, Strategien zu entwickeln, um diese Strukturen über längere Zeiträume hinweg lebensfähig zu halten, um tiefergehende Forschung mit großem Potenzial durchzuführen, sagten die Forscher.
„Optische Vesikel enthaltende Gehirnorganoide, die hochspezialisierte neuronale Zelltypen darstellen, können entwickelt werden, was den Weg für die Erzeugung personalisierter Organoide und retinaler Pigmentepithelschichten für die Transplantation ebnet“, sie schrieben in ihrer Zeitung .
„Wir glauben, dass es sich dabei um Organoide der nächsten Generation handelt, die dabei helfen, Retinopathien zu modellieren, die aus frühen neurologischen Entwicklungsstörungen entstehen.“
Die Forschung wurde veröffentlicht in Zellstammzelle .