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StartseiteForschung aktuellMini-Gehirne für die automatisierte Wirkstoffforschung04.11.2020

Alternative zu TierversuchenMini-Gehirne für die automatisierte Wirkstoffforschung

Bei der Suche nach neuen Arzneistoffen werden potentielle Wirkstoffe aufwendig im Labor getestet. Dazu züchten Forscher aus Stammzellen dreidimensionale organähnliche Gewebestrukturen, sogenannte Organoide. Nun ist es Biomedizinern gelungen, solche Gehirn-Organoide komplett automatisiert herzustellen

Von Michael Lange

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Ansichten eines Mittelhirn-Organoids im Mikroskop (MPI für molekulare Biomedizin / Henrik Renner / Jan Bruder)
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Hinter der Glasscheibe kümmert sich ein Roboter um winzige Gewebeklumpen. Organoide, milchig weiß, wenige Millimeter im Durchmesser. Sie sollen zu gehirnartigen Strukturen heranreifen. Das funktioniert automatisch, ähnlich wie in der Fertigungsstraße einer Autofabrik, wenn auch im Miniaturformat. Statt zu schweißen und zu schrauben, spritzt ein Roboterarm kleinste Flüssigkeitsmengen in winzige Mulden von Plastikplatten.  

Der Wissenschaftler Jan Bruder hat die automatisierte Organoid-Fabrik am Max-Planck-Institut für Molekulare Biomedizin in Münster entwickelt.

"Dieser Roboter hat mehrere Vorteile für uns. Erstmal können wir damit sehr viele Organoide herstellen, mit jedem Schwung 96 auf einmal. Und zweitens, viel wichtiger dabei ist, dass der Roboter das sehr standardisiert macht. Er macht dieselben Bewegungen immer auf die gleiche Art, mit der gleichen Geschwindigkeit und setzt so die Zellen immer der gleichen Umgebung aus." 

So entsteht eine Struktur, die dem Mittelhirn eines Menschen entspricht. Entstanden aus Körperzellen, die zu Stammzellen umprogrammiert wurden: sogenannten IPS-Zellen: Induzierte pluripotente Stammzellen. Diese wurden dann zu Nerven-Vorläuferzellen weiterentwickelt – und aus denen entstehen die Organoide.

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Organoide sind wesentlich komplexer als Zellkulturen

Wichtig ist, dass Organoide eine dreidimensionale Struktur bilden. Sie ähneln somit viel stärker einem wirklichen Gehirn als gewöhnliche Zellkulturen, die als Zellrasen auf Oberflächen wachsen, erklärt Jan Bruder:

"Bei Organoiden ist es so, dass sich die Zellen selbst organisieren müssen und sollen. Das führt zu diesen sehr komplexen Strukturen. Das Problem ist: Wenn man ihnen die Freiheit gibt, sich wirklich selbstständig zu organisieren, dann gleicht kein Organoid dem anderen. Dann hat man Probleme, wenn man vergleichende Messungen anstellen will. Zum Beispiel in der Arzneimittelforschung." 
 

Mit einem Laborroboter wie diesem können Organoide standardisiert und in großer Zahl produziert werden. (© Jan Bruder /  Max-Planck-Institut für molekulare Biomedizin )Mit einem Laborroboter wie diesem können Organoide standardisiert und in großer Zahl produziert werden. (© Jan Bruder / Max-Planck-Institut für molekulare Biomedizin )


Durch ihre dreidimensionale Struktur sind die Organoide für viele Versuche besser geeignet als Zellkulturen, denn sie ähneln stärker einem wirklichen Gehirn. Und weil es sich um menschliche Zellen handelt, sind sie auch Tierversuchen überlegen. Denn sie können besser als jedes Versuchstier Krankheiten nachbilden.

Ein weiterer Vorteil ist die Automatisierung. Die vom Roboter versorgten Organoide gleichen einander wie ein Ei dem anderen. Bestens geeignet, um die Wirkung von Heilmitteln oder schädlichen Stoffen auf das Gehirn zu untersuchen.

Das Verfahren wurde jetzt lizensiert von der US-Firma Stemonix und steht bereit für die Forschung und die Entwicklung von Arzneimitteln.

Die undatierte mikroskopische Querschnittsaufnahme eines ganzen cerebralen Organoids zeigt die Entstehung verschiedener Hirnregionen. Die etwa vier Millimeter großen dreidimensionalen Modelle bilden die frühe Entwicklung des menschlichen Gehirns nach. Ausgangspunkt für die Versuche eines waren zunächst embryonale Stammzellen.  (Madeline A. Lancaster/nature) (Madeline A. Lancaster/nature)Zellforschung - Organoide sind keine Mini-Gehirne
Organoide werden aus Stammzellen gezüchtet und zeigen unter dem Mikroskop gehirnähnliche Strukturen. Dennoch sind die Unterschiede zum menschlichen Gehirn größer als gedacht, wie eine neue Studie belegt - und damit die Euphorie der Organoid-Züchtung dämpft.

Gehirn-Organoide können Tierversuche ersetzen

"Wir können zum Beispiel Organoide herstellen, die Elemente von Parkinson enthalten. Da ist die Frage: Kann man da Stoffe hinzugeben, die sich bei Parkinson positiv auswirken würden. Und wenn man jetzt sehr viele gleichartige Organoide hat: Hunderte, Tausende. Dann kann man sehr genau nachmessen, welche Stoffe aktiv sind und zuträglich sind, und welche Stoffe nicht funktionieren." 

Die Organoide sind keine wirklichen Mini-Gehirne. Sie ähneln einer bestimmten Hirnstruktur des Menschen: dem Mittelhirn. Das ist ein Teil des Hirnstamms an der Basis des Gehirns. Denken oder wahrnehmen können die Organoide nicht, denn sie sind viel einfacher aufgebaut als wirkliche Gehirne.

"Es sind extrem wenig Zellen. Ein Gehirn hat beim Menschen 100 Milliarden Zellen, so sagt man. Unsere Organoide haben zwischen 100.000 und 200.000 Zellen. Da fehlen ein Haufen Nullen, um da den Unterschied auszumachen." 

Die Mittelhirn-Organoide sind keine Gehirne, aber ideale Versuchsobjekte. Sie können Vorgänge im menschlichen Gehirn besser nachahmen als jedes Versuchstier.

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