Das menschliche Gehirn, eines der komplexesten Objekte im Universum, fasziniert und fordert Forscher weltweit. Ein vielversprechender Ansatz zur Erforschung seiner Entwicklung und zur Behandlung neurologischer Erkrankungen ist die Züchtung von Nervenzellen und Hirnstrukturen im Labor. Diese sogenannten Mini-Hirne oder zerebralen Organoide, die in Nährlösung kultiviert werden, eröffnen neue Möglichkeiten, die Funktionsweise des Gehirns zu verstehen und innovative Therapien zu entwickeln.
Mini-Hirne aus dem Labor: Ein Fenster zur Gehirnentwicklung
Zerebrale Organoide sind dreidimensionale Zellkulturen, die aus Stammzellen gewonnen werden und die frühe Entwicklung des menschlichen Gehirns nachbilden. Diese Miniatur-Gehirne, die nur wenige Millimeter groß sind, weisen eine komplexe Struktur auf, die verschiedene Hirnregionen wie Vorderhirn, Mittelhirn und Hinterhirn umfasst. Sie bilden sogar Schichten in der Großhirnrinde und entwickeln unterschiedliche Zellpopulationen wie Nervenzellen und Gliazellen.
Die Herstellung von Organoiden beginnt mit embryonalen Stammzellen oder induzierten pluripotenten Stammzellen (iPS-Zellen), die aus Körperzellen gewonnen werden. Diese Zellen besitzen die Fähigkeit, sich in verschiedene Gewebetypen zu entwickeln. Unter geeigneten Kulturbedingungen lagern sich die Stammzellen ohne Zugabe von Wachstumsfaktoren zu dreidimensionalen Geweben zusammen. Durch die Rotation in einem Bioreaktor wird die Nährstoffversorgung der Zellen verbessert, sodass die Mini-Hirne über Monate hinweg lebensfähig bleiben und ihre endgültige Größe erreichen können.
Die Organoidforschung hat in den letzten Jahren erhebliche Fortschritte gemacht. Forscher haben das Kochrezept für die Herstellung von Organoiden stetig verbessert und die Technologie weiterentwickelt. Mit Hilfe von Organoiden können sie nun untersuchen, wie sich die Schichtung der Hirnrinde bei Erkrankungen wie der Mikrozephalie bereits in frühen Entwicklungsstadien verändert.
Allerdings haben die Organoide auch ihre Grenzen. Da ihnen ein Kreislaufsystem fehlt, treten im Zentrum der Organoide ab einer bestimmten Größe Ernährungsprobleme auf. Dadurch erreichen sie maximal den Entwicklungsstand eines Fötus in der neunten Schwangerschaftswoche.
Lesen Sie auch: Nervenzelle: Ein Überblick
Zelltherapie bei Parkinson: Hoffnung durch gezüchtete Nervenzellen
Ein vielversprechender Anwendungsbereich der Nervenzellforschung ist die Entwicklung von Zelltherapien zur Behandlung neurologischer Erkrankungen wie Parkinson. Bei dieser Krankheit sterben im Mittelhirn dopaminproduzierende Nervenzellen ab, was zu Bewegungsstörungen führt. Neurologen hoffen seit langem, diesen Verlust durch nachgezüchtete Zellen ausgleichen zu können.
Experimente an Affen haben gezeigt, dass eine Zelltherapie die Symptome der Parkinson-Erkrankung tatsächlich lindern kann. Forscher der Universität Kyoto stellten Stammzellen aus Blut- und Hautzellen von Parkinson-Patienten und gesunden Spendern her und verwandelten sie in induzierte pluripotente Stammzellen (iPS-Zellen). Aus diesen iPS-Zellen züchteten sie Vorläuferzellen der dopaminproduzierenden Nervenzellen und transplantierten sie in die Gehirne von Makaken, die Parkinson-ähnliche Symptome zeigten.
Die Ergebnisse waren vielversprechend: Die transplantierten Zellen überlebten im Gehirn, wuchsen an, verknüpften sich mit den übrigen Nervenzellen und produzierten den fehlenden Botenstoff Dopamin. Nach zwei Jahren stellten die Forscher eine deutliche Verbesserung der spontanen Bewegungen bei den behandelten Makaken fest. Dabei spielte es keine Rolle, ob die Zellen von Parkinson-Patienten oder gesunden Spendern stammten. Auch Krebs oder sonstige Zellveränderungen traten nicht auf.
Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass eine Zelltherapie mit gezüchteten Nervenzellen eine vielversprechende Behandlungsoption für Parkinson-Patienten sein könnte. Die Forscher planen nun Folgestudien am Menschen, um die Wirksamkeit und Sicherheit der Methode weiter zu untersuchen.
Herausforderungen und Perspektiven der Nervenzellforschung
Die Nervenzellforschung steht noch am Anfang, birgt aber ein enormes Potenzial für die Entwicklung neuer Therapien gegen neurologische Erkrankungen. Neben Parkinson werden auch andere Krankheiten wie Alzheimer, Schlaganfall und Rückenmarksverletzungen erforscht.
Lesen Sie auch: Überblick über die Funktionen von Nervenzellen
Eine große Herausforderung besteht darin, die komplexen Prozesse der Gehirnentwicklung und -funktion besser zu verstehen. Hier können zerebrale Organoide wertvolle Einblicke liefern. Sie ermöglichen es, die Entstehung von Hirnstrukturen, die Interaktion von Nervenzellen und die Auswirkungen von genetischen Defekten oder Umwelteinflüssen auf die Gehirnentwicklung zu untersuchen.
Ein weiteres Ziel ist es, die gezüchteten Nervenzellen so zu optimieren, dass sie im Gehirn optimal funktionieren und sich dauerhaft integrieren. Hier spielen Faktoren wie die Art der Stammzellen, die Kulturbedingungen und die Transplantationsmethode eine wichtige Rolle.
Auch die ethischen Aspekte der Nervenzellforschung müssen berücksichtigt werden. So stellt sich beispielsweise die Frage, inwieweit die gezüchteten Mini-Hirne ein Bewusstsein entwickeln könnten und welche Rechte ihnen gegebenenfalls zustehen würden.
Trotz dieser Herausforderungen ist die Nervenzellforschung ein vielversprechendes Feld mit großem Potenzial. Die Fortschritte in der Stammzelltechnologie, der Organoidforschung und der Zelltherapie eröffnen neue Perspektiven für die Behandlung neurologischer Erkrankungen und die Erforschung des menschlichen Gehirns.
Die Rolle des Tissue Engineering
Neben der Züchtung von Nervenzellen spielt auch das Tissue Engineering eine wichtige Rolle bei der Entwicklung von Therapien für neurologische Erkrankungen. Das Tissue Engineering ist ein interdisziplinäres Gebiet, das Prinzipien der Ingenieurwissenschaften und der Biologie kombiniert, um biologische Gewebe zu entwickeln, die beschädigtes oder erkranktes Gewebe ersetzen können.
Lesen Sie auch: Was machen Nervenzellen?
Im Bereich der Nervenzellforschung kann das Tissue Engineering dazu verwendet werden, dreidimensionale Gerüste zu entwickeln, die das Wachstum und die Organisation von Nervenzellen fördern. Diese Gerüste können aus verschiedenen Materialien hergestellt werden, darunter natürliche Polymere wie Kollagen und synthetische Polymere wie Polycaprolacton (PCL).
Die Gerüste können mit Wachstumsfaktoren und anderen Substanzen beschichtet werden, die das Wachstum und die Differenzierung von Nervenzellen fördern. Sie können auch mit Nervenzellen besiedelt und dann in das Gehirn oder Rückenmark implantiert werden, um beschädigtes Gewebe zu ersetzen.
Die motorische Endplatte aus der Retorte
Ein weiterer vielversprechender Ansatz ist die Züchtung einer intakten motorischen Endplatte aus menschlichen Muskel- und Stammzellen. Die motorische Endplatte ist eine spezialisierte Synapse, die Nervenimpulse in eine Muskelkontraktion übersetzt. Eine Beeinträchtigung ihrer Funktion kann zu verheerenden neurodegenerativen Krankheitsbildern führen.
Forschern ist es gelungen, eine motorische Endplatte aus menschlichen Muskel- und Stammzellen zu züchten, indem sie genetische Veränderungen vornahmen und die Zellen in nebeneinander liegenden Kammern kultivierten. Zellausläufer der Neuronen sprossen in die benachbarte Kammer und dockten an den Muskelzellen an. Ein Teil der genetischen Veränderungen brachte die Nervenzellen dazu, auf blaues Licht zu reagieren, was eine gezielte Steuerung der Muskelkontraktion erlaubte.
Die Praxistauglichkeit dieses Modells wurde bewiesen, als es mit Blutserum von Myasthenia gravis-Patienten kultiviert wurde. Myasthenia gravis ist eine Autoimmunerkrankung, die die motorische Endplatte angreift.
Deutsche Gesetze erschweren Entwicklung von Zelltherapien
Obwohl die Nervenzellforschung in Deutschland auf einem hohen Niveau betrieben wird, gibt es einige Hürden, die die Entwicklung von Zelltherapien erschweren. Dazu gehört die schwierige gesetzliche Lage, die die Arbeit mit menschlichen embryonalen Stammzellen einschränkt. Nur mit bestimmten, importierten Zelllinien dürfen die Forscher arbeiten.
Zwar unterliegen iPS-Zellen keinen Einschränkungen, da für deren Gewinnung keine menschlichen Embryonen verbraucht werden. Allerdings gibt es iPS-Zellen erst seit 2006.
Ein weiteres Problem ist, dass sich in Deutschland bislang kaum Forschergruppen mit einer klinischen Anwendung der Zelltherapie befasst haben. Dies liegt auch daran, dass die Stammzellforschung in Deutschland sich aufgrund der schwierigen gesetzlichen Lage nicht so entwickeln konnte wie in anderen Ländern.
tags: #nervenzelle #aus #der #retorte