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Stammzellforschung Wenn die Petrischale zurückguckt – Hirnorganoide mit „Augen“

Autor / Redakteur: Susanne Dopheide* / Christian Lüttmann

Aus Stammzellen können Forscher verschiedenartige Gewebe züchten – sozusagen biologische Modelle von Organen, auch Organoide genannt. Wissenschaftler der Uni Düsseldorf haben nun in Hirn-Organoiden nachgewiesen, wie sich lichtempfindliche Augenstrukturen bilden.

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Deutlich sichtbar: Jay Gopalakrishnan und seinem Team gelang es, augenähnliche Strukturen auf einem Hirnorganoid aus Stammzellen zu erzeugen.
Deutlich sichtbar: Jay Gopalakrishnan und seinem Team gelang es, augenähnliche Strukturen auf einem Hirnorganoid aus Stammzellen zu erzeugen.
(Bild: J. Gopalakrishnan)

Düsseldorf – Menschliche induzierte pluripotente Stammzellen (iPSCs) sind die Allrounder der Biologie. Die Zellen fungieren wie ein Prototyp und lassen sich in andere Körperzellen umwandeln. So können Gewebe oder auch organ-ähnliche Organoide entstehen. Eine besondere Entdeckung haben Forscher der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf gemacht. Sie erzeugten aus iPSCs Hirnorganoide mit Augenstrukturen, dem so genannten Sehnapf.

Die Organoide entwickelten spontan beidseitig symmetrische Sehschalen an der Vorderseite der hirnähnlichen Region des Organoids, was die Fähigkeit der iPSCs zur Selbstorganisation in einem hochkomplexen biologischen Prozess zeigt. „Unsere Arbeit unterstreicht die bemerkenswerte Fähigkeit von Hirnorganoiden, primitive sensorische Strukturen zu erzeugen, die lichtempfindlich sind und Zelltypen beherbergen, die denen im Körper ähneln“, sagt der Hauptautor der Studie, Prof. Jay Gopalakrishnan, Medizinische Fakultät der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf. „Diese Organoide können helfen, die Wechselwirkungen zwischen Gehirn und Auge während der Embryonalentwicklung zu untersuchen, angeborene Netzhauterkrankungen zu modellieren und patientenspezifische Netzhautzelltypen für personalisierte Medikamententests und Transplantationstherapien zu erzeugen.“

Primitivste „Augen“ im Hirnmodell

Viele Aspekte der menschlichen Gehirnentwicklung und -krankheiten können mit 3D-Gehirnorganoiden untersucht werden. Forscher züchten die Organoide aus pluripotenten Stammzellen, die sich in alle Zelltypen des Körpers entwickeln können, so auch lichtempfindliche Zellen, wie sie für das Sehen benötigt werden. In der Vergangenheit konzentrierte sich die Herstellung von Sehnervenköpfen aus pluripotenten Stammzellen auf die Erzeugung der reinen Netzhaut. Bislang wurden Sehnervenköpfe und andere 3D-Netzhautstrukturen nicht funktionell in Hirnorganoide integriert.

Um dieses Kunststück zu vollbringen, modifizierten Gopalakrishnan und sein Team ein Protokoll, das sie zuvor für die Umwandlung von iPSCs in neuronales Gewebe entwickelt hatten. Die menschlichen Hirnorganoide bildeten optische Becher, die bereits nach 30 Tagen erschienen und innerhalb von 50 Tagen zu sichtbaren Strukturen heranreiften. Dieser Zeitrahmen entspricht dem der Netzhautentwicklung im menschlichen Embryo und könnte bestimmte Arten von entwicklungsneurobiologischen Experimenten effizienter machen.

Modell zum Erforschen von Netzhauterkrankungen

In 16 unabhängigen Chargen von vier iPSC-Spendern erzeugten die Forscher 314 Hirnorganoide, von denen 72 Prozent Sehnervenköpfe bildeten. Das zeige, dass die Methode reproduzierbar ist, schreiben die Forscher. Diese Strukturen enthielten verschiedene Zelltypen der Netzhaut, die elektrisch aktive neuronale Netzwerke bildeten, welche auf Licht reagierten. Die Sehnapf-Gehirnorganoide enthielten auch Linsen- und Hornhautgewebe und wiesen eine Verbindung zwischen der Netzhaut und Gehirnregionen auf. „Im Gehirn von Säugetieren strecken sich die Nervenfasern der retinalen Ganglienzellen aus, um sich mit ihren Zielen im Gehirn zu verbinden, ein Aspekt, der bisher noch nie in einem In-vitro-System gezeigt wurde“, sagt Gopalakrishnan.

In zukünftigen Studien wollen die Wissenschaftler Strategien entwickeln, um die Sehnervenköpfe über lange Zeiträume lebensfähig zu halten und mit ihnen Mechanismen untersuchen, die Netzhauterkrankungen verursachen.

Originalpublikation: Gabriel et al.: Human brain organoids assemble functionally integrated bilateral optic vesicles, Cell Stem Cell (2021); DOI: 10.1016/j.stem.2021.07.010

* S. Dopheide, Universitätsklinikum Düsseldorf, 40225 Düsseldorf

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