Durchbruch für Luxemburger Forscher

Gehirngewebe aus der Versuchsschale

Wissenschaftlern der Universität Luxemburg ist es gelungen, ausgehend von menschlichen Stammzellen aus Hautproben, dreidimensionale hirnartige Kulturen zu erzeugen, die sich sehr ähnlich wie das menschliche Mittelhirn verhalten.
Wissenschaftlern der Universität Luxemburg ist es gelungen, ausgehend von menschlichen Stammzellen aus Hautproben, dreidimensionale hirnartige Kulturen zu erzeugen, die sich sehr ähnlich wie das menschliche Mittelhirn verhalten.
Foto: ScienceRelations/ University of Luxembourg

(C./mij) - Das komplexeste Organ des Menschen ist sein Gehirn. Aufgrund dieser Komplexität und aus vielerlei ethischen Gründen ist es für wissenschaftliche Untersuchungen schlecht zugänglich – beispielsweise zur Erforschung neurodegenerativer Erkrankungen wie Parkinson.

Wissenschaftlern des „Luxembourg Centre for Systems Biomedicine“ (LCSB) der Universität Luxemburg ist es jetzt – ausgehend von menschlichen Stammzellen – gelungen, aus Hautproben kleine, dreidimensionale hirnartige Kulturen zu erzeugen, die sich sehr ähnlich wie das menschliche Mittelhirn verhalten: In den Versuchsschalen der Forscher bilden sich unterschiedliche Zelltypen, die sich miteinander vernetzen, Signale austauschen und typische Stoffwechselprodukte des aktiven Gehirns herstellen.

Unsere Zellkulturen öffnen der Hirnforschung neue Wege.

„Unsere Zellkulturen öffnen der Hirnforschung neue Wege“, sagt Prof. Dr. Jens Schwamborn, in dessen LCSB-Forschungsgruppe „Developmental & Cellular Biology“ die Forschungsarbeiten durchgeführt wurden. „Wir können an ihnen sehr gut untersuchen, was die Ursachen von Parkinson sind und wie sich die Krankheit möglicherweise wirksam behandeln lässt.“

Für Parkinson-Forscher ist das menschliche Mittelhirn von besonderem Interesse: Es ist der Sitz einer Gewebestruktur, die Mediziner als Substantia nigra bezeichnen. Hier produzieren Nervenzellen – die dopaminergen Neuronen – den Botenstoff Dopamin, der für reibungslose Bewegungsabläufe erforderlich ist. Sterben die dopaminergen Neuronen ab, kommt es bei den betroffenen Menschen zu Zittern und Muskelsteifigkeit, den typischen Symptomen der Parkinson-Krankheit.

Umgewandelte Stammzellen

Forscher können die Zellen der Substantia nigra aus ethischen Gründen nicht zur Untersuchung dem Gehirn entnehmen. Weltweit arbeiten deshalb Forschergruppen daran, dreidimensionale Strukturen des Mittelhirns in Versuchsschalen zu züchten. Die LCSB-Wissenschaftler haben dabei mit sogenannten induzierten pluripotenten Stammzellen gearbeitet, also Stammzellen, die zwar keinen kompletten Organismus bilden, aber in alle Zelltypen des menschlichen Körpers umgewandelt werden können.

Die Prozeduren, die für die Umwandlung der Stammzellen in Gehirnzellen nötig sind, hat Teammitglied Anna Monzel im Rahmen ihrer Doktorarbeit entwickelt. „Ich musste einen speziellen und genau definierten Cocktail an Wachstumsstoffen und ein bestimmtes Behandlungsverfahren für die Stammzellen entwickeln, damit sie sich in die gewünschte Richtung ausdifferenzieren“, beschreibt Monzel ihr Vorgehen. Dabei konnte sie auf Vorarbeiten zurückgreifen, die Schwamborns Team in den vergangenen Jahren geleistet hat. Anschließend vermehrten sich die pluripotenten Stammzellen in Versuchsgefäßen und breiteten sich auf einer dreidimensionalen Stützstruktur aus – so konnten gewebeartige Zellkulturen entstehen.

„Unsere anschließende Untersuchung der künstlichen Gewebeproben ergab, dass sich verschiedene Zelltypen herausdifferenziert haben, wie sie charakteristisch für das Mittelhirn sind“, sagt Jens Schwamborn. „Die Zellen können Signale weiterleiten und verarbeiten. Auch dopaminerge Zellen konnten wir nachweisen – so wie im Mittelhirn.“

An unseren neuen Zellkulturen können wir die Mechanismen, die zu Parkinson führen, viel besser untersuchen, als das bisher möglich war.

Diese Tatsache macht die Ergebnisse der LCSB-Wissenschaftler interessant für Parkinson-Forscher, wie Schwamborn erklärt: „An unseren neuen Zellkulturen können wir die Mechanismen, die zu Parkinson führen, viel besser untersuchen, als das bisher möglich war. Wir können testen, welche Wirkung Umwelteinflüsse wie beispielsweise Schadstoffe auf die Entstehung der Krankheit haben, ob es neue Wirkstoffe gibt, die die Symptome von Parkinson möglicherweise lindern – oder ob sie die Krankheit sogar ursächlich heilen. Solche Untersuchungen werden wir als Nächstes durchführen.“

Besser als Versuchstiere

Die Entwicklung der gehirnähnlichen Gewebekulturen bietet aber nicht nur Raum für neue Forschungsansätze. Sie kann auch helfen, die Zahl von Tierversuchen in der Gehirnforschung zu reduzieren: Die Zellkulturen in den Versuchsschalen sind menschlichen Ursprungs und ähneln deshalb in einigen Eigenschaften menschlichen Gehirnen mehr als dies bei Gehirnen von Versuchstieren wie etwa Mäusen oder Ratten der Fall ist.

Die LCSB-Forschungsgruppe „Developmental & Cellular Biology“ veröffentlichte die Ergebnisse im Fachjournal „Stem Cell Reports“