Gehirnmodelle „Made in Austria“ sind dem Original erstaunlich ähnlich

Bereits 2013 überraschten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des IMBA – Institut für Molekulare Biotechnologie der Österreichischen Akademie der Wissenschaften, die Fachwelt, indem sie als Erste aus Stammzellen dreidimensionale kleine, gehirnartige Strukturen in der Petrischale wachsen ließen. Die Gehirnmodelle aus Wien waren eine wissenschaftliche Sensation. Die Methode wurde seitdem weltweit von vielen Forschungslabors übernommen, um die Entwicklung des Gehirns und die Entstehung verschiedener neurodegenerativer Erkrankungen zu studieren.

Ein Team internationaler Forscherinnen und Forscher konnte nun nachweisen, dass die in Wien erfundenen 3D-Gehirnmodelle echten Gehirnen nicht nur in Struktur und Funktion ähneln, sondern tatsächlich auch in ihren epigenetischen Merkmalen.

Forschungsmission: Erkrankungen des menschlichen Gehirnes verstehen
„Mit den Gehirn-Organoiden simulieren wir das Frühstadium des menschlichen Gehirns und können die embryonale Entwicklung live beobachten,“ erklärt Jürgen Knoblich, stellvertretender wissenschaftlicher Direktor am IMBA. „Unsere Methode gibt uns nicht nur enormen Aufschluss über den Aufbau und die Entwicklung dieses wichtigsten Organs unseres Körpers. Anhand der Organoide lassen sich auch Erkrankungen wie Alzheimer, Parkinson oder Schizophrenie erstmals im menschlichen Gewebe erforschen, um in einem nächsten Schritt neue Therapiemöglichkeiten zu finden.“
Das menschliche Gehirn unterscheidet sich wesentlich von den Gehirnen anderer Säugetiere, wie zum Beispiel Mäusen. „Diese Unterschiede machten es bisher schwierig, die Entstehung komplexer neurologischer Krankheiten zu verstehen. Jetzt haben wir ein unglaublich mächtiges Werkzeug dafür. Wichtig ist auch, dass nun Medikamente direkt an menschlichem Gewebe getestet werden können“, zeigt sich Knoblich begeistert über das enorme Potenzial.

In seinem Wiener Labor am IMBA legte er gemeinsam mit seiner damaligen Postdoktorandin Madeline Lancaster bereits vor Jahren den Grundstein für die Gehirnmodelle aus der Petrischale: Embryonale Stammzellen werden durch spezielle Zellkulturverfahren dazu gebracht, die einzelnen Schritte der embryonalen Gehirnentwicklung im Labor nachzuahmen und sich zu Nervenzellen zu spezialisieren. In wenigen Monaten bildet sich so ein etwa erbsengroßer Gewebeverband, der dem Stadium eines embryonalen Gehirns entspricht.

Erstmals epigenetischer Vergleich mit dem Original
In der aktuellen Studie untersuchten die Forscherinnen und Forscher erstmals auch die „epigenetischen“ Merkmale der Organoide. Das sind kleine Molekülgruppen, die bestimmen, welche Abschnitte auf der DNA abgelesen werden und welche auf stumm geschaltet werden. Dieses sogenannte Epigenom wirkt eine Ebene über dem Genom und kann durch umweltbedingte Faktoren, wie Stress oder Ernährung, beeinflusst werden. Gerade bei der Ausprägung von neurologischen Erkrankungen wie etwa Schizophrenie scheinen epigenetische Faktoren eine wichtige Rolle zu spielen.

„Gehirn-Organoide unterscheiden sich hinsichtlich ihrer epigenetischen Merkmale von echten Gehirnen, da sie in einer vollkommen anderen Umgebung heranwachsen, doch erstaunlicherweise gibt es ähnliche Muster“, erklärt der Letztautor der Publikation, Joseph Ecker, der am US Salk Institut in Kalifornien forscht. „In Zukunft könnte man daher versuchen, die epigenetischen Merkmale des Gehirnes auch auf das Modell zu übertragen. Dies könnte uns helfen, die komplexe Funktion des menschlichen Gehirnes noch besser zu simulieren, um die Ausprägung von Krankheiten noch besser verstehen zu können.“

Originalpublikation:
Cerebral organoids recapitulate epigenomic signatures of human fetal brain. Chongyuan Luo, Madeline A. Lancaster, Rosa Castanon, Joseph R. Nery, Juergen A. Knoblich, and Joseph R. Ecker. Cell Reports
doi.org/10.1016/j.celrep.2016.12.001

Pressefoto: http://de.imba.oeaw.ac.at/index.php?id=516