Zusammenfassung:
Forscher der Stanford University in den Vereinigten Staaten haben ein bahnbrechendes Experiment abgeschlossen: Sie transplantierten aus menschlichen Stammzellen gezüchtete kortikale Organoide in eine genetisch veränderte Maus, bei der sich ein Teil des Gehirngewebes nicht normal entwickelte, und stellten so umfassende und stabile Verbindungen zwischen menschlichem Nervengewebe und dem sich entwickelnden Nervensystem der Maus her. Experimentelle Ergebnisse zeigten, dass das transplantierte menschliche Gewebe bei den Mäusen nicht nur weiter wuchs, sondern auch neuronale Verbindungen mit dem Gehirn und dem Rückenmark der Mäuse bildete und aktiv blieb, während die Tiere wach waren.
Die Forschung wurde in der Zeitschrift Nature veröffentlicht. Forscher glauben, dass diese Methode, Organoide des menschlichen Gehirns im Nervensystem lebender Tiere zu platzieren, voraussichtlich ein neues Instrument zur Untersuchung der Entwicklung des menschlichen Gehirns, neurologischer Erkrankungen und personalisierter Behandlung werden wird. Außerdem können Wissenschaftler damit erstmals beobachten, wie menschliches Nervengewebe wächst, sich verbindet und in einer näher an der realen physiologischen Umgebung arbeitet.
In den letzten Jahren hat sich die Verwendung menschlicher Stammzellen zur Züchtung dreidimensionaler Organoide zu einer wichtigen Technologie in der biomedizinischen Forschung entwickelt. Forscher können Organoide verwenden, um menschliche Gewebe wie Gehirn, Leber und Haut zu simulieren, um Krankheitsmechanismen zu untersuchen, Gewebeentwicklungsprozesse zu beobachten und Medikamente zu testen. Allerdings handelt es sich bei Organoiden in Laborschalen letztlich nur um relativ isolierte Gewebemodelle, denen die komplexe Blutversorgung, neuronale Verbindungen und Interaktionen zwischen verschiedenen Organen im echten menschlichen Körper fehlen, sodass es bei der Untersuchung einiger komplexer Krankheiten immer noch offensichtliche Einschränkungen gibt.
Die Transplantation von Organoiden in lebende Tiere könnte einige dieser Probleme lösen, aber frühere Forschungen stießen auch auf eine wichtige Einschränkung. Menschliches Gehirngewebe entwickelt sich nicht mit der gleichen Geschwindigkeit wie Nagetiere, und wenn menschliche kortikale Organoide direkt in das Gehirn einer sich normal entwickelnden Maus oder Ratte implantiert würden, könnte das Nervensystem des Wirtstiers schnell reifen, was den Raum für menschliches Gewebe zum weiteren Wachstum und zum Aufbau komplexer Verbindungen einschränkt.
Das Forschungsteam der Stanford University verwendete daher ein spezielles Mausmodell. Sie haben Mäuse gentechnisch verändert, sodass ihnen Teile des Gewebes fehlen, das für die Bildung des Hippocampus und der äußeren Hirnrinde erforderlich ist, sodass genügend Platz für transplantierte menschliche kortikale Organoide bleibt. Auf diese Weise kann menschliches Nervengewebe weiter wachsen, während sich das Gehirn der Maus entwickelt, und sich auf natürlichere Weise mit dem Nervensystem des Wirts verbinden.
Die Forscher transplantierten dann aus menschlichen Stammzellen gezüchtete kortikale Organoide in die Gehirne dieser Mäuse. Die Ergebnisse zeigten, dass das menschliche Gewebe nicht nur überlebte, sondern sich bei den Mäusen auch weiter ausdehnte und schließlich etwa 92 % des kortikalen Gewebes der Maus ausmachte. Dieser Maßstab ist viel höher als der, der normalerweise bei herkömmlichen Organoid-Transplantationsexperimenten erreicht wird.
Noch wichtiger ist, dass diese menschlichen Nervengewebe nicht zu einem vom Mäusegehirn unabhängigen „Plug-in-Organ“ wurden. Mithilfe fluoreszierender Markierungen beobachteten die Forscher, dass Neuronen in den menschlichen Organoiden zahlreiche Neuriten in das Nervengewebe der Maus ausdehnten und Verbindungen mit dem Nervensystem des Wirts herstellten. Gleichzeitig zeigte die Erkennung elektrischer Aktivität auch den Austausch neuronaler Signale zwischen menschlichem Gewebe und dem Gehirn der Maus.
Experimente zeigen auch, dass diese Verbindung bereits über eine gewisse Funktionalität verfügt. Nach der Beobachtung des Bewegungsverhaltens von Mäusen stellten die Forscher fest, dass transplantiertes menschliches Nervengewebe die motorischen Aktivitäten der Gliedmaßen der Maus beeinflussen kann, was bedeutet, dass menschliches Gewebe nicht nur passiv im Gehirn der Maus existiert, sondern in gewissem Maße an der Funktion des Nervensystems des Wirts beteiligt ist.
Bryce Vissel, ein Neurowissenschaftler am St. Vincent's Hospital, der nicht an der Studie beteiligt war, glaubt, dass die Ergebnisse neue Forschungswege für die Entwicklung patientenspezifischer Behandlungen für neurologische Erkrankungen eröffnen könnten. Er sagte, dass das menschliche transplantierte Gewebe in der Lage sei, sich mit dem Gehirn und dem Rückenmark der Maus zu verbinden und aktiv zu bleiben, während die Tiere wach seien, was neue Möglichkeiten für zukünftige Forschungen zur Reparatur erkrankter Gehirne eröffnete.
Dieses Experiment wirft jedoch auch offensichtliche ethische Fragen auf. Forscher haben tatsächlich ein hybrides Nervensystem geschaffen, das aus Nervengewebe von Mensch und Maus besteht. Da menschliches Gewebe einen immer größeren Anteil im Wirtstier ausmacht und reifer wird, ist es zu einem unvermeidlichen Problem geworden, zu beurteilen, ob dieses Tier über andere neurologische Fähigkeiten als gewöhnliche Mäuse verfügt.
Vissel glaubt, dass das wirklich entscheidende Folgeexperiment darin besteht, das transplantierte menschliche Nervengewebe aktiv zu verstärken oder zu hemmen und dann zu beobachten, ob sich die Wahrnehmung, Lernfähigkeit oder das Verhalten der Maus entsprechend ändert. Sollten sich diese Fähigkeiten bei Mäusen als Reaktion auf die Aktivität menschlichen Gewebes verändern, würde das bedeuten, dass menschliches Nervengewebe bereits ursächlich an den eigenen Fähigkeiten des Tieres beteiligt ist.
Adeel Razi, ein Computer-Neurowissenschaftler an der Monash University, glaubt auch, dass damit verbundene ethische Fragen immer wichtiger werden, da die Reife, der Umfang und die funktionelle Integration transplantierter Gewebe in Zukunft mit dem tierischen Nervensystem weiter zunehmen. Er glaubt, dass die eigentliche Frage, die untersucht werden sollte, nicht nur darin besteht, festzustellen, „ob das Gehirn der Maus humanisiert wurde“, sondern darin zu beobachten, wie sich die neuronalen Berechnungsmethoden menschlicher Gehirnzellen ändern, nachdem sie sich in einer anderen tierischen Umgebung als dem Menschen entwickelt und gelernt haben.
Das Forschungsteam gab an, dass dieses Experiment den derzeit geltenden ethischen Vorschriften und Sicherheitsanforderungen entsprach. Allerdings wiesen die Forscher auch deutlich darauf hin, dass, wenn der Anteil an menschlichem Nervengewebe im Gehirn von Mäusen in Zukunft weiter erhöht oder das transplantierte menschliche Gewebe ausgereifter gemacht werden soll, entsprechende ethische Normen im Vorfeld festgelegt werden müssen, anstatt diese Probleme erst nach der Reife der Technologie passiv zu behandeln.
Trotz der ethischen Kontroversen hat diese Technologie immer noch einen großen medizinischen Forschungswert. Forscher hoffen, dieses Modell, das menschliches Gehirngewebe mit lebenden Tieren kombiniert, nutzen zu können, um den Prozess der Entwicklung des menschlichen Gehirns eingehender zu untersuchen und zu erforschen, wie die eigenen Zellen von Patienten zum Wachstum von Nervengewebe genutzt werden können, um personalisiertere Behandlungen zu entwickeln. In Zukunft könnten solche Modelle auch zur Untersuchung neurologischer Erkrankungen eingesetzt werden und Wissenschaftlern dabei helfen, nach krankheitsbedingten biologischen Veränderungen zu suchen, bevor Patienten offensichtliche Symptome entwickeln.
Die Bedeutung dieser Studie besteht darin, dass sie die Grenzen traditioneller Gehirnorganoide weiter durchbricht. In der Vergangenheit konnten Wissenschaftler nur eine relativ isolierte Masse menschlichen Nervengewebes in einer Petrischale beobachten. Nun können sich menschliche Gehirnorganoide in der Gehirnumgebung lebender Tiere weiterentwickeln und tatsächliche funktionelle Verbindungen mit dem Nervensystem des Wirts eingehen. Mit der weiteren Entwicklung relevanter Technologien wird die Frage, inwieweit sich menschliches Nervengewebe bei Tieren entwickeln kann und wie dieses hybride Nervensystem ethisch definiert werden sollte, zu wichtigen Fragen, mit denen sich die zukünftige neurowissenschaftliche Forschung befassen muss.
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