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Menschliche Stammzellen: Forscher züchten Gehirn-Knospen

Stammzellforschung: Gehirn-Strukturen aus dem Bioreaktor Fotos
Madeline A. Lancaster

Aktive Nervenzellen, verschiedene Hirnstrukturen: Im Labor haben Wissenschaftler ein Mini-Gehirn gezüchtet. Mit Hilfe solcher Organmodelle lassen sich Krankheiten besser erforschen. Und sie könnten auch bei der Entwicklung neuer Medikamente helfen.

Nur rund vier Millimeter breit sind die Zellansammlungen, die Forscher im Labor herangezüchtet haben - doch sie erlauben, die Entwicklung des menschlichen Gehirns in den ersten Lebenswochen eines Embryos abzubilden. Zwar handelt es sich nicht um echte Mini-Gehirne, weshalb die Forscher vorsichtig von "cerebralen Organoiden" sprechen. Doch mit ihrer Hilfe könnten sich Entwicklungsstörungen und Krankheiten besser erforschen lassen als beispielsweise an Mäusen.

Wie das Team um Madeline Lancaster und Jürgen Knoblich vom Wiener Institut für Molekulare Biotechnologie im Fachmagazin "Nature" schreibt, entstanden die Strukturen aus menschlichen embryonalen Stammzellen. In weiteren Experimenten nutzen die Forscher sogenannte iPS-Zellen: gewöhnliche Körperzellen, die zu Stammzellen umprogrammiert wurden.

Stammzellen besitzen eine enorme Fähigkeit zur Selbstorganisation. Unter geeigneten Bedingungen lagern sie sich zu dreidimensionalen Geweben zusammen. Die Forscher nutzten dies aus und ließen die Stammzellen ab einem bestimmten Entwicklungsstadium in einem sich drehenden Bioreaktor heranwachsen. Durch die Rotation wird die Nährstoffversorgung der Zellen verbessert.

In zwei Monaten herangewachsen

Im Zeitraum von etwa zwei Monaten erreichten die Organoide ihre endgültige Größe. Die Gewebe seien unbegrenzt lebensfähig, schreiben die Forscher. Einige hätten bereits zehn Monate in den Reaktoren gelebt. Weil sie nicht über Blutgefäße verfügten, die Nährstoffe und Sauerstoff ins Innere transportierten, sei die Größe der Organoide jedoch begrenzt. Die Zellen im Kern der Strukturen sterben deshalb ab, erklären die Wissenschaftler.

Untersuchungen belegten, dass die Organoide in verschiedene voneinander abgrenzbare Bereiche unterteilt waren, wie es auch bei Vorder-, Mittel- und Hinterhirn der Fall ist. Ähnlich wie bei der natürlichen Entwicklung der menschlichen Großhirnrinde bildeten sich verschiedene Schichten in der Organkultur, in denen unterschiedliche Zellpopulationen gebildet wurden, etwa Nervenzellen und Gliazellen. Einzelne, räumlich voneinander entfernt liegende Bereiche standen miteinander in Verbindung. "Im Durchschnitt können die Gehirn-Organoide die Entstehung von Gehirnstrukturen bis in die neunte Schwangerschaftswoche imitieren", sagt Lancaster.

In "Nature" stellen die Forscher ein Beispiel für die Anwendung ihrer Organoide vor: die Erforschung der Mikrozephalie. Von dieser Entwicklungsstörung Betroffene haben einen außergewöhnlich kleinen Kopf und ein kleines Hirn. Sie sind in der Regel geistig behindert. Im Tierversuch mit Mäusen lässt sich diese Störung schlecht erforschen, weil entscheidende Entwicklungsschritte im Nagerhirn anders verlaufen.

Die Forscher entnahmen einem Mikrozephalie-Patienten einige Hautzellen, die sie zu iPS-Zellen umwandelten. Die anschließend gezüchteten Organoide verglichen sie mit solchen, die aus gesunden Zellen hervorgegangen waren. In den Mikrozephalie-Organoiden fand das Team insgesamt weniger Vorläuferzellen und mehr bereits ausdifferenzierte Nervenzellen. Bei Mikrozephalie beginnen die Stammzellen demnach zu früh damit, Neuronen zu bilden, anstatt sich weiter zu teilen und so ihre Zahl zu vergrößern. Schlussendlich können so weniger Nervenzellen gebildet werden.

Kein "Gehirn in der Petrischale"

"In Zukunft möchten wir auch andere Krankheiten, die mit entwicklungsbiologischen Störungen des Gehirns in Zusammenhang stehen könnten - etwa Autismus oder Schizophrenie - in der Kultur nachbauen und erforschen", sagt Studienleiter Knoblich.

Auch für die Pharmaindustrie könnten solche Kultursysteme von Bedeutung sein, etwa um die Wirkung von Arzneien und Chemikalien zu testen. Bisher geschieht dies entweder in Tierversuchen oder an Zellkulturen.

Trotz der fesselnden Daten sei die Realisierung eines "Gehirns in der Petrischale" weiter außer Reichweite, kommentiert der deutsche Stammzellforscher Oliver Brüstle von der Universität Bonn die Untersuchung seiner Kollegen. Innerhalb der Organoide seien die verschiedenen Hirnbereiche zufällig verteilt. Sie besäßen nicht dieselbe Form und räumliche Organisation wie im Gehirn.

Mit der Arbeit sei aber eindrucksvoll gezeigt, dass solche Kulturen in der Entwicklungsbiologie und in der Biomedizin als Hilfsmittel eingesetzt werden könnten.

wbr/dpa

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1. Frankenstein lässt grüssen
ChristianWild 28.08.2013
Vieleicht sind es nur Narren, aber Narren sind gefährlich, da wir nicht wissen was sie tatsächlich machen. Wir sind nur die Versuchskaninchen im Stall. Forschung ist gut, die Grenzen werden immer weniger. Wir sind auf dem Weg des Gefolges oder besser: Demokratie ohne Opposition ist der Vater des Gedanken.
2. Haltet mich
spon-facebook-10000630294 28.08.2013
für einen Irren aber wer finanziert das? Wem dient das? Wacht aus dieser Gutgläubigkeit auf und erkennt, wem das wirklich dient: Den Geldsäcken der Welt! Gäbe es auf lange Sicht keine Möglichkeit, billige und willige Arbeiter zu produzieren, würde die Forschung nicht in diese Richtung gehen. Nur Geld regiert die Welt!
3. Schlimme Entwicklung
meinemeinung: 28.08.2013
Solange die Ursachen psychischen Leidens wie z. B. Schizophrenie und Autismus, primär als Folge einer genetischen Veranlagung gesehen werden, ohne äußere Einflüsse zu berücksichtigen, wird es wohl kaum die notwendige menschliche Unterstützung für Betroffene in ausreichendem Masse geben. Die auf die Entwicklung von Medikamenten ausgerichtete Forschung dürfte dabei dazu beitragen bereits bestehende Tendenzen verstärken. Aus meiner Sicht die denkbar schlimmste Entwicklung die notwendige menschliche Hilfe für seelisch leidende Menschen immer unerreichbarer macht.
4. liebe Nörgler...
mortimer001 28.08.2013
Zitat von spon-facebook-10000630294für einen Irren aber wer finanziert das? Wem dient das? Wacht aus dieser Gutgläubigkeit auf und erkennt, wem das wirklich dient: Den Geldsäcken der Welt! Gäbe es auf lange Sicht keine Möglichkeit, billige und willige Arbeiter zu produzieren, würde die Forschung nicht in diese Richtung gehen. Nur Geld regiert die Welt!
Ihre Frage ist einfach zu beantworten. Wie es der Grundsatz der Wissenschaft nunmal am Ende ist: sie dient der Gesellschaft. Und anstelle billiger und williger Arbeiter hat sie bisher schon ziemlich viel erreicht, von dem Sie sicherlich auch schon öfter, wenn nicht gar im täglichen Leben profitiert haben. Oder Leben gerettet. Solche Sachen. Vieles von dem, was mit solchen Systemen mittelfristig möglich sein wird, wäre noch vor einigen Jahren unvorstellbar gewesen, bzw. ist es noch. Daher wäre ich vorsichtig mit Prognosen. Achja: ähnliche in vitro Organmodelle ermöglichen schon heute die Einsparung unzähliger Tiere für ethisch verwerfliche Tierversuche, bei gleichzeitig realistischerem Outcome, da man an menschlichen Geweben forscht. Und solange diese Gewebe aus iPS-Zellen generiert wurden, kann auch der größte Kritiker meiner Meinung nach keine ethischen Bedenken haben...
5. Alien
sototh 28.08.2013
Also das dritte Bild ist ja echt gruselig. Sieht aus wie ein Alien. Ich nehme mal an, die wissen, was sie da tun...
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Klon-Pionier und Zellzauberer

Stammzellen - die Multitalente
Embryonale Stammzellen (ES)
AFP
Sie gelten als die zellulären Alleskönner: Reift eine befruchtete Eizelle zu einer Blastozyste, einem kleinen Zellklumpen, heran, entsteht in deren Inneren eine Masse aus embryonalen Stammzellen. Die noch nicht differenzierten Stammzellen können sich zu jeder Zellart des menschlichen Körpers entwickeln. Voraussetzung ist, dass sie mit den richtigen Wachstumsfaktoren behandelt werden.
Induzierte pluripotente Stammzellen (iPS)
Körperzellen einfach in Stammzellen umprogrammieren - das gelang Forschern durch das Einschleusen ganz bestimmter Steuerungsgene. Aus den dabei entstandenen maßgeschneiderten Stammzellen züchteten sie erfolgreich verschiedene Körperzellen. Diese Methode ist nicht nur elegant, sondern auch ethisch unbedenklich, da dabei kein Embryo hergestellt und zerstört wird. Allerdings birgt die Methode noch Risiken, weil für das Einschleusen der Gene Viren benötigt werden. Die Gene werden vom Virus verstreut im Genom eingebaut, wichtige Gene der Zelle können dabei beschädigt werden, die Zelle kann entarten. Es besteht Krebsgefahr. Zudem bauen auch die Viren ihr Erbgut ein. Forschern gelang jedoch mittlerweile die Reprogrammierung ohne Viren und mit anschließender Entfernung der Gene.
Proteininduzierte pluripotente Stammzellen (piPS)
Zellen reprogrammieren - nur durch Zugabe von Molekülen und ohne Veränderung des Erbgutes. Dies gelang Forschern erstmals im April 2009. Damit räumten sie potentielle Risiken aus, die das Einschleusen der Reprogrammiergene barg.
Keimbahn abgeleitete pluripotente Stammzellen (gPS)
Keimbahn-Stammzellen können normalerweise nur Spermien erzeugen. Aber man kann sie auch in pluripotente Stammzellen verwandeln. Diese "germline derived pluripotent stem cells" (gPS) bieten ein großes Potential, denn ihr Erbgut ist noch relativ unbeschädigt. Forschern gelang die Verwandlung an Hodenzellen von Mäusen - nur durch ganz bestimmte Zuchtbedingungen.
Adulte Stammzellen
Nicht nur Embryonen sind eine Quelle der Zellen, aus denen sich verschiedene Arten menschlichen Gewebes entwickeln können. In etwa 20 Organen inklusive der Muskeln, der Knochen, der Haut, der Plazenta und des Nervensystems haben Forscher adulte Stammzellen aufgespürt. Sie besitzen zwar nicht die volle Wandlungsfähigkeit der embryonalen Stammzellen, bereiten aber auch keine ethischen Probleme: Einem Erwachsenen werden die adulten Stammzellen einfach entnommen und in Zellkulturen durch Zugabe entsprechender Wachstumsfaktoren so umprogrammiert, dass sie zu den gewünschten Gewebearten heranreifen.
Ethik und Recht
Die Stammzellforschung birgt ethische Konflikte. Embryonale Stammzellen werden aus Embryonen gewonnen, die entweder eigens hergestellt werden oder bei künstlichen Befruchtungen übriggeblieben sind. Dabei wird der Embryo zerstört. Die Argumentation der Befürworter: Die Embryonen würden ohnehin vernichtet. Kritiker sprechen dagegen von der Tötung ungeborenen Lebens. In Deutschland ist das Herstellen menschlicher Embryonen zur Gewinnung von Stammzellen verboten. In Ausnahmefällen erlaubt das Gesetz aber den Import von Stammzellen, die vor dem 1. Mai 2007 hergestellt wurden. In Großbritannien und Südkorea ist das therapeutische Klonen ausdrücklich erlaubt, ebenso in den USA.

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