Stammzellen und regenerative Medizin

daniel mac lloyd mind the brain
Daniel Mac Lloyd

Das komplexeste Organ des Menschen ist das Gehirn und vieles darüber ist noch zu entdecken. Im Idealfall würden Forscher das menschliche Gehirn direkt untersuchen, aber dies ist oft aus technischen oder ethischen Gründen unmöglich. Wer wäre zum Beispiel bereit, sich einer Operation zu unterziehen, um einige Nervenzellen für die Forschung zu spenden? Daher müssen unsere Wissenschaftler alternative Methoden finden, um das Gehirn zu untersuchen. Es gibt indirekte Möglichkeiten, die Mechanismen unseres Gehirns zu verstehen. Zum Beispiel durch molekulare Analysen in Patientenproben, die leicht zugänglich und leichter verfügbar sind, wie Blut oder Urin. Dort können sie nach molekularen Veränderungen im Zusammenhang mit Gehirnerkrankungen suchen. Für andere Studien können sie Computermodelle, Tierversuche an Mäusen und Zebrafischen oder Nervenzellkulturen verwenden.

Auf der Suche nach einem Modell, das viele Funktionen des menschlichen Gehirns nachahmt, haben Prof. Jens Schwamborn und sein Team eine neue 3D-Zellkultur entwickelt. Es gelang ihnen, menschliche Stammzellen, die aus Hautproben gewonnen wurden, in winzige, dreidimensionale, hirnähnliche Kulturen umzuwandeln. Diese Gehirnorganoide  - oder "Mini-Gehirne" verhalten sich sehr ähnlich wie Zellen im menschlichen Mittelhirn, dem Teil des Gehirns, der bei der Parkinson-Krankheit früher altert. In den Petrischalen der Forscher entwickeln sich verschiedene Zelltypen, verbinden sich zu einem Netzwerk, tauschen Signale aus und produzieren für das aktive Gehirn typische Moleküle. Da die Kultur ursprünglich aus Hautproben von einzelnen Patienten gewonnen wird, können diese Organoide verwendet werden, um die Ursachen der Parkinson-Krankheit und deren mögliche wirksame Behandlung zu untersuchen.

Um diese „Mini-Gehirne“ zu erzeugen, müssen Hautzellen im Labor in pluripotente Stammzellen umgewandelt werden. Japanische Forscher haben 2012 den Nobelpreis für die Entdeckung molekularer Faktoren erhalten, die diese Umwandlung bewirken können. Ihre Arbeit hat die Zellbiologie revolutioniert und neue Wege für die Forschung am LCSB eröffnet. Sobald die Forscher pluripotente Stammzellen im Labor erhalten haben, können sie potenziell wieder jeden Zelltyp hervorbringen. Durch die Zugabe spezifischer molekularer Faktoren können diese Stammzellen beispielsweise in Dopamin produzierende Nervenzellen umgewandelt werden, die von der Parkinson-Krankheit betroffen sind.

Image
Cerebrale Organoide: "Mini-Gehirn" aus pluripotenten Stammzellen.
Aber welche zellulären Faktoren müssen geändert werden, um die Umwandlung von irgendeiner Art von Zelle in eine andere hervorzurufen? Dies ist der Forschungsschwerpunkt von Prof. Antonio del Sol Mesa und seinem Team. Mithilfe von Computermodellen suchen sie nach bestimmten Genen, die verschiedene Zelltypen charakterisieren. Basierend auf diesem Wissen können sie dann Cocktails chemischer Verbindungen entwerfen, die auf zur zellulären Umwandlung identifizierten Gene  abzielen und in Zukunft letztendlich für die regenerative Medizin verwendet werden könnten. Kürzlich sagten die LCSB-Forscher molekulare Faktoren für die Umwandlung einer Art von Herzzellen in eine andere voraus. Ihre Kooperationspartner an den Gladstone Instituten (USA) testen derzeit experimentell diese Vorhersage. Wenn die Ergebnisse mit Del Sols molekularen Cocktails bestätigt werden, könnten die Herzzellen des linken Ventrikels in die des rechten Ventrikels umgewandelt werden und umgekehrt. Diese Entdeckung könnte in Zukunft die Behandlung angeborener Herzerkrankungen verändern. In Zusammenarbeit mit dem Centro di Medicina Rigenerativa "Stefano Ferrari" in Modena (Italien) versuchen die LCSB-Wissenschaftler nun, Stammzellen des Epithels in Hornhautstammzellen umzuwandeln, um letztendlich Patienten zu behandeln, deren Auge geschädigt wurde.
Image
Mittelhirn-spezifische Organoide: zwei verschiedene Arten von "Mini-Gehirnen" aus neuralen Stammzellen.

Das komplexeste Organ des Menschen ist das Gehirn und vieles darüber ist noch zu entdecken. Im Idealfall würden Forscher das menschliche Gehirn direkt untersuchen, aber dies ist oft aus technischen oder ethischen Gründen unmöglich. Wer wäre zum Beispiel bereit, sich einer Operation zu unterziehen, um einige Nervenzellen für die Forschung zu spenden? Daher müssen unsere Wissenschaftler alternative Methoden finden, um das Gehirn zu untersuchen. Es gibt indirekte Möglichkeiten, die Mechanismen unseres Gehirns zu verstehen. Zum Beispiel durch molekulare Analysen in Patientenproben, die leicht zugänglich und leichter verfügbar sind, wie Blut oder Urin. Dort können sie nach molekularen Veränderungen im Zusammenhang mit Gehirnerkrankungen suchen. Für andere Studien können sie Computermodelle, Tierversuche an Mäusen und Zebrafischen oder Nervenzellkulturen verwenden.

Auf der Suche nach einem Modell, das viele Funktionen des menschlichen Gehirns nachahmt, haben Prof. Jens Schwamborn und sein Team eine neue 3D-Zellkultur entwickelt. Es gelang ihnen, menschliche Stammzellen, die aus Hautproben gewonnen wurden, in winzige, dreidimensionale, hirnähnliche Kulturen umzuwandeln. Diese Gehirnorganoide  - oder "Mini-Gehirne" verhalten sich sehr ähnlich wie Zellen im menschlichen Mittelhirn, dem Teil des Gehirns, der bei der Parkinson-Krankheit früher altert. In den Petrischalen der Forscher entwickeln sich verschiedene Zelltypen, verbinden sich zu einem Netzwerk, tauschen Signale aus und produzieren für das aktive Gehirn typische Moleküle. Da die Kultur ursprünglich aus Hautproben von einzelnen Patienten gewonnen wird, können diese Organoide verwendet werden, um die Ursachen der Parkinson-Krankheit und deren mögliche wirksame Behandlung zu untersuchen.

Image
Cerebrale Organoide: "Mini-Gehirn" aus pluripotenten Stammzellen.
Auf der Suche nach einem Modell, das viele Funktionen des menschlichen Gehirns nachahmt, haben Prof. Jens Schwamborn und sein Team eine neue 3D-Zellkultur entwickelt. Es gelang ihnen, menschliche Stammzellen, die aus Hautproben gewonnen wurden, in winzige, dreidimensionale, hirnähnliche Kulturen umzuwandeln. Diese "Mini-Gehirne" - oder Gehirnorganoide verhalten sich sehr ähnlich wie Zellen im menschlichen Mittelhirn, dem Teil des Gehirns, der bei der Parkinson-Krankheit degeneriert. In den Petrischalen der Forscher entwickeln sich verschiedene Zelltypen, verbinden sich zu einem Netzwerk, tauschen Signale aus und produzieren für das aktive Gehirn typische Moleküle. Indem die Kultur mit Hautproben von einzelnen Patienten begonnen wird, können diese Organoide verwendet werden, um die Ursachen der Parkinson-Krankheit und deren mögliche wirksame Behandlung zu untersuchen.

Um diese „Mini-Gehirne“ zu erzeugen, müssen Hautzellen im Labor in pluripotente Stammzellen umgewandelt werden. Japanische Forscher haben 2012 den Nobelpreis für die Entdeckung molekularer Faktoren erhalten, die diese Umwandlung bewirken können. Ihre Arbeit hat die Zellbiologie revolutioniert und neue Wege für die Forschung am LCSB eröffnet. Sobald die Forscher pluripotente Stammzellen im Labor erhalten haben, können sie potenziell wieder jeden Zelltyp hervorbringen. Durch die Zugabe spezifischer molekularer Faktoren können diese Stammzellen beispielsweise in Dopamin produzierende Nervenzellen umgewandelt werden, die von der Parkinson-Krankheit betroffen sind.

Image
Mittelhirn-spezifische Organoide: zwei verschiedene Arten von "Mini-Gehirnen" aus neuralen Stammzellen.
Aber welche zellulären Faktoren müssen geändert werden, um die Umwandlung von irgendeiner Art von Zelle in eine andere hervorzurufen? Dies ist der Forschungsschwerpunkt von Prof. Antonio del Sol Mesa und seinem Team. Mithilfe von Computermodellen suchen sie nach bestimmten Genen, die verschiedene Zelltypen charakterisieren. Basierend auf diesem Wissen können sie dann Cocktails chemischer Verbindungen entwerfen, die auf zur zellulären Umwandlung identifizierten Gene  abzielen und in Zukunft letztendlich für die regenerative Medizin verwendet werden könnten. Kürzlich sagten die LCSB-Forscher molekulare Faktoren für die Umwandlung einer Art von Herzzellen in eine andere voraus. Ihre Kooperationspartner an den Gladstone Instituten (USA) testen derzeit experimentell diese Vorhersage. Wenn die Ergebnisse mit Del Sols molekularen Cocktails bestätigt werden, könnten die Herzzellen des linken Ventrikels in die des rechten Ventrikels umgewandelt werden und umgekehrt. Diese Entdeckung könnte in Zukunft die Behandlung angeborener Herzerkrankungen verändern. In Zusammenarbeit mit dem Centro di Medicina Rigenerativa "Stefano Ferrari" in Modena (Italien) versuchen die LCSB-Wissenschaftler nun, Stammzellen des Epithels in Hornhautstammzellen umzuwandeln, um letztendlich Patienten zu behandeln, deren Auge geschädigt wurde.