Unser Verständnis der inneren Funktionsweise des menschlichen Gehirns wurde lange Zeit durch die praktische und ethische Schwierigkeit behindert, die Entwicklung, Verbindung und Interaktion menschlicher Neuronen zu beobachten. Heute in eine neue Studie veröffentlicht Natur, Neurowissenschaftler an der Stanford University unter der Leitung von Sergiu Pasca berichten, dass sie einen neuen Weg gefunden haben, menschliche Neuronen zu untersuchen – durch die Transplantation von menschlichem hirnähnlichem Gewebe in Ratten, die nur wenige Tage alt sind, wenn ihr Gehirn noch nicht vollständig ausgebildet ist. Die Forscher zeigen, dass menschliche Neuronen und andere Gehirnzellen wachsen und sich in das Gehirn der Ratte integrieren können, um Teil der funktionellen neuralen Schaltkreise zu werden, die Empfindungen verarbeiten und Aspekte des Verhaltens steuern.
Mit dieser Technik sollten Wissenschaftler in der Lage sein, neue Lebensmodelle für eine breite Palette von neurologischen Entwicklungsstörungen zu erstellen, darunter zumindest einige Formen von Autismus-Spektrum-Störungen. Die Modelle wären für neurowissenschaftliche Laborstudien genauso praktisch wie aktuelle Tiermodelle, wären aber bessere Ersatzkräfte für menschliche Erkrankungen, da sie aus echten menschlichen Zellen in funktionierenden neuronalen Schaltkreisen bestehen würden. Sie könnten ideale Ziele für moderne neurowissenschaftliche Werkzeuge sein, die zu invasiv sind, um sie in echten menschlichen Gehirnen einzusetzen.
„Dieser Ansatz ist ein Fortschritt für das Gebiet und bietet eine neue Möglichkeit, Störungen der neuronalen Funktion zu verstehen,", Sagte Madeline Lancaster, ein Neurowissenschaftler am MRC Laboratory of Molecular Biology in Cambridge, UK, der nicht an der Arbeit beteiligt war.
Die Arbeit markiert auch ein aufregendes neues Kapitel in der Verwendung neuraler Organoide. Vor fast 15 Jahren entdeckten Biologen, dass menschliche Stammzellen sich selbst organisieren und zu kleinen Kügelchen wachsen können, die verschiedene Arten von Zellen enthalten und Gehirngewebe ähneln. Diese Organoide öffneten ein neues Fenster in die Aktivitäten von Gehirnzellen, aber der Blick hat seine Grenzen. Während sich Neuronen in einer Schale miteinander verbinden und elektrisch kommunizieren können, können sie keine wirklich funktionierenden Schaltkreise bilden oder das volle Wachstum und die Rechenleistung gesunder Neuronen in ihrem natürlichen Lebensraum, dem Gehirn, erreichen.
Pionierarbeit von verschiedenen Forschungsgruppen bewiesen vor Jahren, dass menschliche Gehirn-Organoide in das Gehirn von erwachsenen Ratten eingesetzt werden und dort überleben können. Aber die neue Studie zeigt zum ersten Mal, dass das aufkeimende Gehirn einer neugeborenen Ratte menschliche Neuronen akzeptiert und ihnen erlaubt, zu reifen, während es sie gleichzeitig in lokale Schaltkreise integriert, die das Verhalten der Ratte steuern können.
Paşca wies darauf hin, dass es angesichts der drastischen Unterschiede in der Art und Weise, wie und wann sich die Nervensysteme der beiden Arten entwickeln, „tausend Gründe zu der Annahme gebe, dass das nicht funktionieren würde“. Und doch funktionierte es, denn die menschlichen Zellen fanden die Hinweise, die sie brauchten, um wesentliche Verbindungen herzustellen.
„Dies ist eine dringend benötigte und elegante Studie, die das Feld in die richtige Richtung lenkt, um nach Ansätzen zu suchen, um die physiologische Relevanz von Organoiden des menschlichen Gehirns zu verbessern, um spätere Stadien der Entwicklung des menschlichen Gehirns zu modellieren“, sagte Giorgia Quadrato, ein Neurowissenschaftler an der University of Southern California.
Das Verständnis der zellulären und molekularen Prozesse, die in Neuronen schief gehen und zu Gehirnstörungen führen, war schon immer Paşcas Motivation. [Anmerkung der Redaktion: Siehe die begleitendes Vorstellungsgespräch mit Paşca über sein Leben, seine Karriere und die Motivation für seine Arbeit.] Da viele psychiatrische und neurologische Störungen während der Entwicklung im Gehirn Wurzeln schlagen – auch wenn die Symptome möglicherweise erst Jahre später auftreten – scheint die Beobachtung, wie sich Neuronen entwickeln, der beste Weg zu sein, um die Lücken in unserem Verständnis zu füllen. Deshalb war es Paşcas Ziel, Organoide des menschlichen Gehirns in neugeborene Ratten zu transplantieren, seit er vor 13 Jahren begann, mit Neuronen in einer Schale zu arbeiten.
In der neuen Arbeit – die auch von Paşcas Stanford-Kollegen geleitet wurde Felicity Gore, Kevin Kelley und Omer Revah (jetzt an der Hebräischen Universität Jerusalem) – das Team fügte kortikale menschliche Gehirnorganoide in den somatosensorischen Kortex sehr junger Rattenwelpen ein, bevor die Gehirnschaltkreise der Welpen vollständig aufgebaut waren. Dies gab den menschlichen Neuronen die Möglichkeit, weitreichende Verbindungen von einer Schlüsselregion zu erhalten, die eingehende sensorische Informationen verarbeitet. Dann warteten die Forscher, um zu sehen, ob das Organoid zusammen mit dem Rest des sich entwickelnden Gehirns der Ratte wachsen würde.
„Wir haben festgestellt, dass, wenn wir das Organoid in diesem frühen Stadium einsetzen … es über einen Zeitraum von vier oder fünf Monaten bis zu neunmal größer wird als ursprünglich“, sagte Paşca. Das bedeutete einen Bereich menschenähnlichen Gehirngewebes, der etwa ein Drittel einer der Gehirnhälften der Ratte bedeckte.
Aber obwohl die menschlichen Neuronen in dem kortikalen Bereich zusammenblieben, wo sie chirurgisch platziert wurden, zeigten die Forscher, dass sie zu aktiven Teilen der neuralen Schaltkreise wurden, die tief in das Gehirn der Ratte eingefädelt waren. Die meisten der transplantierten menschlichen Neuronen begannen auf Berührungsempfindungen von den Schnurrhaaren der Ratte zu reagieren: Wenn Luftstöße auf die Schnurrhaare gerichtet wurden, wurden die menschlichen Neuronen elektrisch aktiver.
Noch überraschender ist, dass der Fluss neuronaler Signale auch in die andere Richtung verlaufen und das Verhalten beeinflussen könnte. Als die menschlichen Neuronen mit blauem Licht stimuliert wurden (durch eine Technik namens Optogenetik), löste dies bei den Ratten ein konditioniertes Verhalten aus, das sie dazu brachte, eine Belohnung zu suchen, indem sie häufiger an einer Wasserflasche leckten.
„Das bedeutet, dass wir tatsächlich menschliche Zellen in die Schaltkreise integriert haben“, sagte Paşca. „Es verändert nicht die Schaltkreise. … Nur menschliche Zellen gehören jetzt dazu.“
Die transplantierten Zellen ahmten menschliches Gehirngewebe in ihrer neuen Umgebung nicht perfekt nach. Zum Beispiel organisierten sie sich nicht in der gleichen vielschichtigen Struktur, die im menschlichen Kortex zu sehen ist. (Sie folgten auch nicht der Leitung umgebender Rattenneuronen und bildeten die für den somatosensorischen Kortex der Ratte charakteristischen tonnenförmigen Säulen.) Aber die einzelnen transplantierten Neuronen behielten viele der normalen menschlichen elektrischen und strukturellen Eigenschaften.
Die Zellen machten sich einen großen Vorteil des Gehirns zunutze: Sie verbanden sich erfolgreich mit dem Gefäßsystem des Rattengehirns und ermöglichten es den Blutgefäßen, das Gewebe zu durchdringen, um Sauerstoff und Hormone zu liefern. Man geht davon aus, dass der Mangel an Blutversorgung ein Hauptgrund dafür ist, warum menschliche Neuronen, die in einer Schale wachsen, routinemäßig nicht vollständig ausreifen, zusammen mit einem Mangel an neuralen Signaleingängen, die wahrscheinlich benötigt werden, um die Entwicklung zu gestalten, erklärte Paşca. Als sein Team die transplantierten menschlichen Neuronen mit denen verglich, die in einer Schale lebten, stellten sie fest, dass die transplantierten Neuronen sechsmal größer waren, mit einer Größe und einem elektrischen Aktivitätsprofil, das näher an dem von Neuronen aus natürlichem menschlichem Gehirngewebe liegt.
„Es gibt etwas in der In-vivo-Umgebung – also die Nährstoffe und elektrischen Signale, die sie im Gehirn empfangen – das menschliche Zellen auf eine andere Ebene der Reifung bringt“, sagte Paşca.
Da die menschlichen Neuronen im Rattengehirn so stark gereift sind, konnten Paşca und seine Kollegen ungewöhnliche Unterschiede in der Entwicklung von Gehirnorganoiden feststellen, die von Menschen mit einer genetischen Störung namens Timothy-Syndrom stammen, die häufig Autismus und Epilepsie verursacht. In den Gehirnen von Ratten wuchsen in den transplantierten menschlichen Neuronen, die Gene für das Timothy-Syndrom trugen, abnormale dendritische Zweige, die ungewöhnliche Verbindungen herstellten. Entscheidend ist, dass einige dieser atypischen Entwicklungen nur in menschlichen Neuronen beobachtet werden konnten, die im Rattenkortex wachsen, und nicht in organoiden Neuronen in einer Schale.
Paşca betont, dass uns diese Art von subtilen Veränderungen in reifenden Neuronen, die die Gehirnfunktion beeinträchtigen und zu neurologischen und psychiatrischen Störungen führen, bisher weitgehend verborgen geblieben sind.
„Die Ergebnisse sind sehr aufregend“, sagte er Bennet Novitch, Neurowissenschaftler und Stammzellbiologe an der University of California, Los Angeles. In-vitro-Studien von Nervengewebe werden für viele Arten von neurologischen Studien und Arzneimitteltests immer noch schneller und praktischer sein, bemerkte er, aber das neue Papier „zeigt, wie die Aufdeckung der reifen Eigenschaften menschlicher Neuronen … immer noch am besten in der In-vivo-Umgebung erreicht werden kann .“
Paşca hofft, dass die Möglichkeit, reife menschliche Neuronen in Ratten zu untersuchen, die Behandlung von psychiatrischen Störungen und neurologischen Erkrankungen endlich näher bringen wird. Andere in der Branche sind ebenfalls hoffnungsvoll. „Wenn diese Organoid-Transplantationsstrategie Krankheitssignaturen wirklich nachahmen kann, könnte dies unseren Weg zur Heilung wirklich beschleunigen“, sagte er Joël Blanchard, ein Neurowissenschaftler an der Icahn School of Medicine am Mount Sinai.
Die Art der neuen Arbeit kann Fragen zum Wohlergehen und zur ethischen Behandlung der Ratten aufwerfen. Aus diesem Grund haben Paşca und seine Kollegen von Anfang an aktive Gespräche mit Ethikern geführt. Wie bei allen Tierversuchen gab es eine gesetzliche Vorschrift, dass die Ratten umfassend von Labortechnikern überwacht werden mussten, die befugt waren, den Versuch jederzeit abzubrechen. Bei den Ratten mit transplantierten menschlichen Gehirnorganoiden wurden jedoch in einer Reihe von Verhaltens- und kognitiven Tests keine Unterschiede festgestellt.
Inso Hyun, ein Bioethiker, der dem Zentrum für Bioethik der Harvard Medical School angehört, sagte, er habe keine ethischen Bedenken hinsichtlich der aktuellen Experimente. Das Team von Paşca befolgte alle Richtlinien, die von der Internationalen Gesellschaft für Stammzellforschung entwickelt wurden, die die Forschung mit Organoiden des menschlichen Gehirns und den Transfer menschlicher Zellen in Tiere regeln. „Für mich geht es wirklich darum, zu verstehen: Wie geht es weiter?“ er sagte.
Hyun ist mehr besorgt über andere Forschungsteams, die sich jetzt dafür interessieren könnten, Organoide des menschlichen Gehirns in Arten zu transplantieren, die unseren eigenen ähnlicher sind, wie z. B. nichtmenschliche Primaten. „Sie müssten auf der Aufsichtsebene ein sehr intensives Gespräch darüber führen, warum Sie berechtigt sind, sich etwas Komplexerem zuzuwenden“, sagte Hyun.
Paşca sagt, dass er und seine Kollegen kein Interesse an solchen grenzüberschreitenden Experimenten haben. Er glaubt auch, dass die Schwierigkeit, Organoide für die Transplantation zu züchten und zu erhalten, die meisten potenziell rücksichtslosen Forschungen eindämmen wird. „Es gibt nur wenige Orte mit der Infrastruktur und dem Fachwissen, die dafür erforderlich sind“, sagte er.
Die unmittelbareren und praktischeren wissenschaftlichen Herausforderungen liegen in der Verbesserung der Organoide des menschlichen Gehirns, die in Ratten transplantiert werden. Zweifellos ist noch ein langer Weg zu gehen. Dem menschlichen hirnähnlichen Gewebe fehlen derzeit viele wichtige Gehirnzellen jenseits von Neuronen, wie Mikroglia und Astrozyten, sowie Neuronen, die an der Hemmung der Aktivität anderer Neuronen beteiligt sind. Paşcas Team arbeitet derzeit an Experimenten zur Transplantation von „Assembloiden“ – Gruppen von Organoiden, die verschiedene Gehirnregionen darstellen, deren Zellen wandern und miteinander interagieren.
Es mag Grenzen geben, wie sehr die Ergebnisse von menschlichen Neuronen in einem Rattengehirn auf ein natürliches menschliches Gehirn übertragen werden können. Die in diesen Transplantationsstudien verwendeten Ratten werden aufgrund einer genetischen Mutation mit einem fehlerhaften Immunsystem geboren. Das macht sie gut geeignet für Transplantationen, da ihr Immunsystem die implantierten menschlichen Zellen weniger wahrscheinlich abstößt. Aber es bedeutet auch, dass Studien zu neurodegenerativen Erkrankungen wie Alzheimer, von denen bekannt ist, dass sie Immunkomponenten haben, schwieriger sein könnten. Und egal wie realistisch die transplantierten Organoide des menschlichen Gehirns werden, solange sie sich in einem Rattengehirn befinden, werden sie Rattenblut mit seinem einzigartigen Profil an Nährstoffen und Hormonen und nicht menschlichem Blut ausgesetzt sein. Neurowissenschaftler könnten also Systeme untersuchen, die etwas hinter der Realität im menschlichen Schädel zurückbleiben.
Aber für Paşca bietet dieses neue System die Möglichkeit, der Grundwahrheit darüber, wie veränderte neurobiologische Prozesse neurologische und psychiatrische Störungen verursachen, näher als je zuvor zu kommen. Die Transplantation von Organoiden in neugeborene Ratten bietet endlich eine Möglichkeit, die volle Stärke moderner neurowissenschaftlicher Werkzeuge in der Erforschung der Entwicklung menschlicher Neuronen und Schaltkreise einzusetzen.
„Schwierige Probleme, wie das Verständnis von psychiatrischen Störungen, die einzigartig menschliche Zustände sind, werden mutige Ansätze erfordern“, sagte Paşca.
