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Organoide offenbaren Stammzellverhalten bei Hirnkrankheit

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Bochumer Forscher haben eine Erklärung für die Fehlbildung des Cortex bei Patienten mit dem Miller-Dieker-Syndrom geliefert. Die Organisation der Stammzellen in der Entwicklung ist gestört. Der Schlüssel zu dieser Erkenntnis waren Hirnorganoide, in der Petrischale gezüchtete „Mini-Gehirne”.

Die dritte Dimension war entscheidend: „Der Zusammenhang ist weder im Mausmodell noch in zweidimensionalen menschlichen Kultursystemen erkennbar", so Arbeitsgruppenleiterin Julia Ladewig von der Rheinischen Friedrich-Wilhelms-Universität Bochum. Ladewig und ihr Team untersuchten die Entstehung eines seltenen angeborenen, menschlichen Gehirn-Defekts, des Miller-Dieker-Syndroms, an „Mini-Gehirnen" aus der Zellkulturschale. Die Erbkrankheit ist auf einen Chromosomendefekt zurückzuführen. Dieser hat unter anderem eine Fehlbildung der Hirnrinde zur Folge. „Bei Patienten ist die Hirnoberfläche kaum gefurcht, sondern mehr oder weniger glatt“, erklärt Vira Iefremova, Doktorandin und Erstautorin einer Anfang April in Cell Reports veröffentlichten Studie.

Wodurch diese Änderung zustande kommt, wusste man bislang nur in Ansätzen. Jetzt ist klar: Die Stammzellen teilen sich bei der Hirnentwicklung anders als normal. Philipp Koch, der die Studie gemeinsam mit Ladewig geleitet hat, erklärt die Situation: „Bei Gesunden vermehren sich die Stammzellen zunächst einmal und bilden dabei geordnete, dicht gepackte Schichten. Nur ein kleiner Teil von ihnen differenziert sich und wird zum Beispiel zu Nervenzellen.“ Für die dichte und gleichmäßige Packung der Stammzellen sind bestimmte Proteine verantwortlich, deren Bildung bei Kranken gestört ist. Dadurch sind die Stammzellen nicht so eng gepackt und gleichzeitig nicht so regelmäßig angeordnet. Diese schlechte Organisation führt unter anderem dazu, dass sich die Stammzellen frühzeitiger differenzieren. 

Die „Mini-Gehirne" beziehungsweise Hirnorganoide sind dreidimensionale Gewebestrukturen, die in der Zellkulturschale gezüchtet wurden. Sie erlauben einen Einblick in die Abläufe, mit denen sich einzelne Nervenzellen zum komplexen Gehirn organisieren. Die Bochumer Forscher stellten sie aus Hautzellen von Miller-Dieker-Patienten her, die sie zunächst in Stammzellen umwandelten. Aus den Stammzellen wurden dann die Hirnorganoide gezüchtet. In den Organoiden organisierten sich die Gehirnzellen dann weitgehend selbst – ganz ähnlich wie im Gehirn eines Embryos.