US-Forscher haben gezeigt, dass Gehirngewebe, das erwachsenen Ratten implantiert wurde, sich mit den eigenen Neuronen der Tiere integrieren kann, was die Aussicht erhöht, dass Hirntransplantationen in der Lage sein werden, Schäden durch Kopfverletzungen oder Krankheiten zu reparieren.
„Neuronale Gewebe haben das Potenzial, Bereiche des verletzten Gehirns wieder aufzubauen“, sagte Isaac Chen, Leiter der Studie an der University of Pennsylvania, und fügte hinzu, dass die Implantate Ratten dabei halfen, Lichtmuster im visuellen Kortex zu erkennen. „Das ist ein sehr solider erster Schritt.“
Das Penn-Team wandelte menschliche Stammzellen in Gehirn-Organoide um, neurale Strukturen von wenigen Millimetern Durchmesser mit vielen Merkmalen echter Gehirne, die zu einem der heißesten Forschungsgebiete der Neurowissenschaften geworden sind.
Die Organoide wurden in die Gehirne von Ratten transplantiert, deren eigener visueller Kortex – der Bereich, der visuelle Informationen aus den Augen verarbeitet – teilweise entfernt worden war. Innerhalb von drei Monaten integrierten sich die menschlichen Organoide erfolgreich in das Gehirn der Ratte, teilten seine Blutversorgung, nahmen an Größe und Zahl zu und bildeten Verbindungen mit den Neuronen des Wirts. Die Forscher hatten das Immunsystem der Tiere unterdrückt, um eine Abstoßung des menschlichen Gewebes zu verhindern.
Details des Experiments wurden veröffentlicht am Donnerstag in der Zeitschrift Cell Stem Cell. Die nächsten Phasen des Penn-Forschungsprogramms werden die Fähigkeit von Organoiden untersuchen, neben dem visuellen Kortex auch in anderen Bereichen des erwachsenen Gehirns zu wachsen.
„Wir wollen auch die Faktoren verstehen, die den Integrationsprozess steuern, damit wir die Zusammensetzung des Organoids und Aspekte des Wirtsgehirns so anpassen können, dass sie sich so gut wie möglich integrieren“, sagte Chen.
Grüne Fluoreszenz zeigt ein implantiertes menschliches Organoid, das in einem Rattengehirn wächst © Dennis Jgamadze UPenn
Die im Experiment verwendeten Fluoreszenz-Tracing-Techniken zeigten kontinuierliche neuronale Verbindungen von der Netzhaut der Ratten zum Organoid. Dann maßen Miniatursonden die Aktivität einzelner menschlicher Neuronen, wenn die Tiere blinkenden Lichtern und Mustern aus abwechselnden schwarzen und weißen Balken ausgesetzt wurden.
„Wir haben gesehen, dass eine große Anzahl von Neuronen innerhalb des Organoids auf bestimmte Lichtrichtungen reagierten, was uns den Beweis dafür liefert, dass diese organoiden Neuronen nicht nur in der Lage waren, sich in das visuelle System zu integrieren, sondern auch sehr spezifische Funktionen des Visuellen übernehmen konnten Kortex“, sagte Chen.
Die Forscher waren überrascht von der schnellen neuralen Integration in das erwachsene Gehirn, was ermutigend für mögliche medizinische Verfahren wie die Behandlung von Schäden durch Schlaganfälle oder schwere Kopfverletzungen ist. In früheren Studien erfolgte eine schnelle und erfolgreiche Integration nur, wenn menschliches Gehirngewebe in neugeborene Nagetiere implantiert wurde, deren sich entwickelndes Gehirn eine biochemische Umgebung bietet, die dem neuronalen Wachstum förderlicher ist.
„Unsere Arbeit zeigt, dass das erwachsene Gehirn stillsteht [adaptable] genug, um neues Gewebe zu integrieren“, sagte Chen. „Eines Tages werden wir das nutzen können, um Verfahren für Patienten zu entwickeln.“
Ein Ansatz wäre, dass Kliniker Hautzellen von einem hirnverletzten Patienten nehmen, sie mit einem biochemischen Cocktail in Stammzellen umwandeln und dann ihre Entwicklung über einige Wochen zu einem Organoid des Gehirns steuern. Dieses würde dann in den verletzten oder geschädigten Hirnbereich implantiert.
Dieser Prozess wäre jedoch zeitintensiv und teuer für Gesundheitsdienstleister.
„Ein vernünftigerer Ansatz könnte patientenangepasstes Gewebe sein – wo es eine Bibliothek von Stammzellen und handelsüblichem Gewebe gibt, die der Immunsignatur eines Patienten entsprechen, sodass keine immunsuppressiven Medikamente benötigt werden“, sagte Chen.