Deutschlandfunk: Mini-Gehirne – Organoidforschung auf dem Vormarsch

Die Suche nach neuen Arzneistoffen ist ein aufwendiger Prozess, bei dem potenzielle Wirkstoffe intensiv im Labor getestet werden. Eine vielversprechende Methode, um diesen Prozess zu beschleunigen und zu verbessern, ist die Organoidforschung. Dabei züchten Forscher aus Stammzellen dreidimensionale, organähnliche Gewebestrukturen, sogenannte Organoide. Diese Mini-Organe, insbesondere Gehirn-Organoide, bieten neue Möglichkeiten, die Entwicklung des menschlichen Gehirns, die Entstehung von Krankheiten und die Wirkung von Medikamenten zu untersuchen.

Automatisierte Organoid-Produktion

Am Max-Planck-Institut für Molekulare Biomedizin in Münster hat der Wissenschaftler Jan Bruder eine automatisierte Organoid-Fabrik entwickelt. Hinter einer Glasscheibe kümmert sich ein Roboter um winzige Gewebeklumpen, die zu gehirnartigen Strukturen heranreifen sollen. Dieser Roboter spritzt in einem standardisierten Verfahren kleinste Flüssigkeitsmengen in winzige Mulden von Plastikplatten.

Bruder erklärt die Vorteile dieser Automatisierung: "Erstens können wir damit sehr viele Organoide herstellen, mit jedem Schwung 96 auf einmal. Und zweitens, viel wichtiger dabei ist, dass der Roboter das sehr standardisiert macht. Er macht dieselben Bewegungen immer auf die gleiche Art, mit der gleichen Geschwindigkeit und setzt so die Zellen immer der gleichen Umgebung aus."

So entsteht eine Struktur, die dem Mittelhirn eines Menschen entspricht, entstanden aus Körperzellen, die zu Stammzellen umprogrammiert wurden - sogenannten induzierten pluripotenten Stammzellen (IPS-Zellen).

Vorteile der Organoidforschung

Organoide bieten gegenüber traditionellen Zellkulturen und Tierversuchen entscheidene Vorteile:

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• Dreidimensionale Struktur: Organoide bilden eine dreidimensionale Struktur, die einem wirklichen Gehirn viel ähnlicher ist als gewöhnliche Zellkulturen, die als Zellrasen auf Oberflächen wachsen. Jan Bruder erklärt: "Bei Organoiden ist es so, dass sich die Zellen selbst organisieren müssen und sollen. Das führt zu diesen sehr komplexen Strukturen."
• Standardisierung: Mit einem Laborroboter können Organoide standardisiert und in großer Zahl produziert werden. Durch ihre dreidimensionale Struktur sind die Organoide für viele Versuche besser geeignet als Zellkulturen, denn sie ähneln stärker einem wirklichen Gehirn.
• Ethische Aspekte: Da es sich um menschliche Zellen handelt, sind sie auch Tierversuchen überlegen. Denn sie können besser als jedes Versuchstier Krankheiten nachbilden. Ein weiterer Vorteil ist die Automatisierung. Die vom Roboter versorgten Organoide gleichen einander wie ein Ei dem anderen. Bestens geeignet, um die Wirkung von Heilmitteln oder schädlichen Stoffen auf das Gehirn zu untersuchen.
• Krankheitsmodellierung: Organoide können genutzt werden, um Krankheiten wie Parkinson nachzubilden. "Wir können zum Beispiel Organoide herstellen, die Elemente von Parkinson enthalten. Da ist die Frage: Kann man da Stoffe hinzugeben, die sich bei Parkinson positiv auswirken würden. Und wenn man jetzt sehr viele gleichartige Organoide hat: Hunderte, Tausende."

Organoide sind keine Mini-Gehirne

Es ist wichtig zu betonen, dass Organoide keine wirklichen Mini-Gehirne sind. Sie ähneln einer bestimmten Hirnstruktur des Menschen: dem Mittelhirn. Das ist ein Teil des Hirnstamms an der Basis des Gehirns. Denken oder wahrnehmen können die Organoide nicht, denn sie sind viel einfacher aufgebaut als wirkliche Gehirne. "Es sind extrem wenig Zellen. Ein Gehirn hat beim Menschen 100 Milliarden Zellen, so sagt man. Unsere Organoide haben zwischen 100.000 und 200.000 Zellen. Da fehlen ein Haufen Nullen, um da den Unterschied auszumachen." Die Mittelhirn-Organoide sind keine Gehirne, aber ideale Versuchsobjekte.

Anwendungsmöglichkeiten der Organoidforschung

Die Organoidforschung bietet vielfältige Anwendungsmöglichkeiten:

• Erforschung der Gehirnentwicklung: Organoide ermöglichen es, die Entwicklungsprozesse des Gehirns in drei Dimensionen zu beobachten. Julia Ladewig und ihr Team in Bonn nutzen Organoide, um die Entwicklung des Gehirns bei Patienten mit dem Miller-Dieker-Syndrom zu untersuchen, einer schweren genetischen Entwicklungsstörung. "Wir nutzen diese frühkindlichen Entwicklungsstörungen, die aufgrund von genetischen Defekten entstehen, um die menschliche Gehirnentwicklung besser verstehen zu können."
• Krankheitsmodellierung und Medikamententestung: Organoide können verwendet werden, um Krankheiten wie Mikrozephalie oder Glioblastome (bösartige Gehirntumore) zu modellieren und die Wirkung von Medikamenten zu testen. Jay Gopalakrishnan erforscht in Düsseldorf Krebszellen, die in einem Gehirn-Organoid wachsen sollen. "Wir können Glioblastom-Zellen im Organoid heranzüchten und sichtbar machen, wie die Tumorzellen sich vermehren und in das Gehirngewebe eindringen. Diese Forschung ist noch im Gange. Wir hoffen, dass wir irgendwann patienteneigene Gehirn-Organoide züchten können mit dem Glioblastom des Patienten. So lassen sich vor einer Therapie Wirkstoffe testen in einem patientenspezifischen Organoid."
• Evolutionsforschung: Wieland Huttner und sein Team in Dresden vergleichen Organoide des Menschen mit denen seiner engsten Verwandten, um zu verstehen, wie die Evolution das menschliche Gehirn hervorgebracht hat. Gray Camp in Leipzig "neandertalisiert" menschliche Gehirn-Organoide, um die Unterschiede zwischen unseren Gehirnen und denen der Neandertaler zu erforschen.
• Entwicklung künstlicher Organe: Dem Wissenschaftler Botond Roska ist es gelungen, eine vollständige künstliche Retina zu züchten.

Gehirn-Computer-Schnittstellen

Einige Forschende gehen noch einen Schritt weiter und entwickeln Gehirn-Computer-Schnittstellen. So haben Neurowissenschaftlerinnen und -wissenschaftler aus den USA ein Hirn-Organoid auf eine Elektrodenplatte gesetzt, um die elektrischen Ströme aus dem Organoid abzuleiten und mit einem Computer zu verbinden. Auf dem Computer arbeitet eine KI, die bereits auf Japanisch Silben erkennen kann. Dieses Team sieht seine Forschung als große Chance für die Zukunft, während andere erst ethische Fragen diskutieren wollen, wie solche KIs mit menschlichem Gehirn vielleicht ein Bewusstsein entwickeln könnten.

Herausforderungen und ethische Fragen

Trotz des großen Potenzials der Organoidforschung gibt es auch Herausforderungen und ethische Fragen zu berücksichtigen:

• Standardisierung: Wie bereits erwähnt, ist die Standardisierung der Organoid-Produktion entscheidend, um vergleichbare Ergebnisse zu erhalten.
• Reife der Organoide: Gehirn-Organoide entsprechen eher einem frühen, embryonalen Gewebe als einem ausgewachsenen Gehirn. Daher ist es wichtig, die Entwicklungsprozesse der Organoide weiter zu verbessern, um reifere und komplexere Strukturen zu erhalten.
• Ethische Fragen: Die Entwicklung von Gehirn-Computer-Schnittstellen wirft ethische Fragen auf, insbesondere im Hinblick auf das Potenzial für Bewusstsein und die Verantwortung im Umgang mit solchen Systemen. Arnold Kriegstein, Professor für Stammzell- und Gewebebiologie an der Universität von Kalifornien, hält Spekulationen über ein Bewusstsein von Gehirn-Organoiden für maßlos übertrieben.

Die Zukunft der Organoidforschung

Die Organoidforschung ist ein sich schnell entwickelndes Feld mit großem Potenzial für die medizinische Forschung und die Entwicklung neuer Therapien. In Zukunft könnten Organoide dazu beitragen, Krankheiten besser zu verstehen, Medikamente effektiver zu testen und sogar künstliche Organe zu entwickeln. Die "Organ-on-a-Chip"-Technologie, bei der Organoide auf Mikrochips gezüchtet werden, gilt als eine der wichtigsten Zukunftstechnologien in der Medizin. In naher Zukunft könnte sogar ein ganzer "Human on a Chip" realisiert werden - also Zellsysteme aus dutzenden verschiedenen Organen, die verbunden sind.

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