Mini-Gehirne: innovative, humanrelevante Hirnforschung

„Alternativen“ zu Tierversuchen

Mini-Gehirne: innovative, humanrelevante Hirnforschung

Menschliche Mini-Gehirne (oder Mini Brains) sind kleine 3D-Strukturen, die die strukturellen und funktionellen Eigenschaften des Gehirns nachahmen. Dank dieser modernen Forschungssysteme konnten viele Fragen, die man über Jahrzehnte hinweg erfolglos in verschiedenen Tierversuchen erforscht hat, beantwortet werden. Mini Brains haben das Potenzial, bei der Behandlung einiger der bislang schwersten Krankheiten wie Alzheimer, Parkinson, Autismus, verschiedenen Virusinfektionen und Krebs endlich voranzukommen.

Das menschliche Gehirn - ein mysteriöses Universum

Das Gehirn ist das komplexeste Organ des menschlichen Körpers, es besteht aus Milliarden von Zellen verschiedener Arten und Funktionen. Diese arbeiten räumlich und zeitlich präzise koordiniert zusammen, um höhere kognitive und motorische Leistungen wie die Steuerung von Organfunktionen, Körpertemperatur, den Schlaf-Wach-Rhythmus, Bewegungen, Emotionen und Verhalten zu erbringen und zu regulieren. Die menschliche Gehirnentwicklung fängt in der dritten Schwangerschaftswoche an und beruht auf mehreren streng regulierten zellulären und molekularen aufeinanderfolgenden Prozessen. Viele Fragen bezüglich dieser Prozesse sind noch immer offen. Man weiß z. B. noch nicht, wie die große Vielfalt der Zelltypen im menschlichen Gehirn zur richtigen Zeit, am richtigen Ort und in den richtigen Mengen produziert wird. Wie unterscheiden sich die Gehirne einzelner Menschen? Was geht schief, wenn sich die Gehirnzellen nicht normal entwickeln? Und wie wirken sich neurologische Erkrankungen auf die Organisation und Funktionen des Gehirns aus?

Tiere sind kein gutes „Model“ für das menschliche Gehirn

Ein wichtiger Grund für die bisherige Erfolglosigkeit, diese Fragen zu beantworten, beruht drauf, dass sehr häufig verschiedene Tierarten als „Modelle“ für die Erforschung der Gehirnprozesse und -erkrankungen eingesetzt werden. Bekannterweise bestehen zwischen Menschen und Tieren entscheidende Unterschiede in Struktur, Entwicklung, Organisation und Funktionen des Gehirns. Weiterhin kommen schwere neurologische und neurodegenerative Erkrankungen wie Alzheimer, Parkinson und Autismus natürlicherweise nur beim Menschen vor. Zahlreiche Medikamente und Therapien, die sich in zahllosen Tierversuchen als wirksam und sicher erwiesen haben, sind in klinischen Studien mit menschlichen Probanden und Patienten gescheitert, weil sie dort die gewünschten Effekte nicht erzielt und teilweise schwere Nebenwirkungen verursacht haben. Mehr als 400 Alzheimermedikamente z. B. wurden erfolgreich am Tier getestet, bei Menschen hat keines davon funktioniert (1). Einige, wie das vorher in mehreren Tierversuchen mit Mäusen, Ratten, Kaninchen und Affen hoch angepriesene Medikament Verubecestat, haben sogar die Symptome der Krankheit wie den Demenzzustand bei Menschen beschleunigt und verschlechtert (2). Wirksame Therapien für Alzheimer, Autismus, bipolare affektive Störung und viele andere neurologische und kognitive Störungen gibt es zurzeit nicht oder die wenigen, die eingesetzt werden, können die Erkrankungen nicht vollständig heilen. Um die Ursachen dieser Krankheiten besser zu verstehen und passende Medikamente und Therapien dagegen zu entwickeln, wurde ein moderner, menschenbasierter Forschungsansatz etabliert – die sogenannten Mini Brains.

Mini Brains: kleine Gehirne mit großem Potenzial

Mini Brains (Mini-Gehirne) sind millimetergroße, dreidimensionalen (3D) Strukturen aus menschlichen Zellen, die viele anatomische und funktionelle Eigenschaften des menschlichen Gehirns nachahmen. Im Vergleich zu den herkömmlichen Zellkulturen, die aus einer einzigen einheitlichen 2D-Zellschicht auf dem Boden einer Petrischale bestehen, können die Mini Brains mehrere Schichten verschiedener, miteinander verbundener Zelltypen besitzen, die in einer räumlichen 3D-Umgebung sehr ähnlich wie im menschlichen Körper positioniert sind. So bieten sie Wissenschaftlern die Möglichkeit, Teile und Funktionen des Gehirns zu untersuchen, die bisher nicht zugänglich waren.

Mini Brains werden aus Stammzellen wie die sogenannten induzierten pluripotenten Stammzellen (iPSCs) erzeugt. Man kann z. B. einige Blut-, Haut- oder Haarwurzelzellen von gesunden und erkrankten Menschen entnehmen und diese in iPSCs umprogrammieren. Aus den iPSCs entwickeln sich mittels Zugabe bestimmter Wachstumsfaktoren Mini Brains, die - je nach Zellspender - gesund sind oder dessen Erkrankung widerspiegeln. Im Durchschnitt dauert es etwa 15 Wochen, um ein Mini Brain zu erzeugen, das das Gehirn eines fünft Monate alten Embryos nachahmt (3). Man kann die Mini Brains eingefroren lagern und bei Bedarf wieder auftauen, damit sie nicht jedes Mal erneut generiert werden müssen. Einige Mini-Gehirne können über 800 Tage lang kontinuierlich verwendet werden, was sie besonders gut geeignet macht für Langzeitstudien von Entwicklungsprozessen und neurologischen Erkrankungen (4).

Ein großer Vorteil von Mini Brains ist, dass sie in großer Anzahl mit immer gleichen Eigenschaften erzeugt werden können. Dadurch sind sie besonders für das Screening mittels automatisierter Hochdurchsatzplattformen von Wirkstoffen und Medikamenten geeignet (5). 

Verschiedene Mini Brain-Arten für jede Fragestellung

Je nach Struktur, Eigenschaften und Herstellungsstrategien gibt es verschiedene Arten von Mini Brains.

Gehirn-Organoide werden in speziellen Bioreaktoren gezüchtet. Sie entwickeln sich spontan und enthalten viele verschiedene Zelltypen, die in Gehirnregionen wie Vorderhirn, Mittelhirn, Hinterhirn und Netzhaut ähnlich dem menschlichen Gehirn organisiert sind. Die Gehirn-Organoide sind sehr vielfältig, können aber anhand ihrer spontanen Selbstorganisation stark variieren (5).

Die sogenannte Gehirn-Spheroide sind kleine kugelförmige Strukturen, die weniger Zelltypen als die Organoide beinhalten. Bei ihrer Herstellung werden mehrere Wachstumsfaktoren verwendet, die für bestimmte Gehirn-Regionen spezifisch sind. Deswegen stellen Spheroide häufig einen bestimmten Gehirnbereich wie z. B. Hirnrinde, Hippocampus oder Mittelhirn dar. Im Vergleich zu den Gehirn-Organoiden sind Spheroide weniger entwickelt und vielfältig, ihre Herstellung ist aber einheitlicher und einfacher (5).

Manchmal werden zwei oder mehrere getrennt gezüchtete hirnregionspezifische Spheroide auf kontrollierte Weise zu Gehirn-Assembloiden mit mehreren unterschiedlichen Bereichen verschmolzen. Beispielsweise bilden fusionierte Spheroide des dorsalen (oberen) und ventralen (unteren) Vorderhirns ein Assembloid mit zwei unterschiedlichen, aber miteinander verbundenen Bereichen, deren Zellen funktionelle Verbindungen miteinander herstellen (5).

Menschliche Mini-Gehirne mit Hirntumoren 

Menschliche Mini-Gehirne, die Gehirntumore entwickeln. Mikroskopische Aufnahmen der angefärbten Zellkulturen, die als Gehirn-Spheroide bezeichnet werden und aus humanen iPSCs (induzierten pluripotenten Stammzellen) in einer Zellkulturplatte gezüchtet wurden. Unten (d-f) sieht man das gesunde Gehirngewebe in blau und die Tumore in violett. Der Durchmesser der Mini-Gehirne beträgt ca. 0,5 mm. Bildquelle: Plummer et al - SciRep 2019 (6). 

Eine Vielzahl von Anwendungen in Medizin und Biologie

Mini Brains geben Wissenschaftlern zum ersten Mal die Möglichkeit, Gehirnprozesse, -erkrankungen und –therapien in einem komplexen, menschenrelevanten System zu erforschen, ohne invasive Eingriffe an Patienten vorzunehmen. Weiterhin kann man patientenspezifische Mini Brains über iPSCs von einzelnen Menschen ableiten und therapieren, was ein riesiger Schritt in Richtung personalisierter Medizin – der Medizin der Zukunft, ist.

Mini Brains eignen sich sehr gut zur Erforschung von Entwicklungsstörungen, da sie zuverlässig verschiedene vorgeburtliche Gehirnfehlbildungen und die damit verbundenen zellulären und molekularen Störungen nachahmen können (5). Eine Studie mit menschlichen Mini Brains ermöglichte die Identifizierung und Untersuchung der genetischen und umweltbedingten Faktoren, die bei Mikrozephalie und Zikavirus-Infektion zu Verformung und einer zu kleinen Größe des Gehirns führen (7). Interessanterweise zeigte die Studie auch, dass die krankheitsspezifischen Veränderungen der menschlichen Mini Brains nicht in aus Mauszellen abgeleiteten Mini Brains vorkommen, was einer der unzähligen Beweise dafür ist, wie unterschiedlich menschliche und tierische Gehirne sind. Und wie wichtig ist es, menschenbasierte, statt tierische „Modelle“ zu erforschen. Weitere Mini Brain-Analysen identifizierten mehrere Wirkstoffe, die sich möglicherweise gegen das Zikavirus eignen könnten (8). Mehrere Forschungsgruppen benutzen menschliche Mini Brains, um die Mechanismen von anderen Viren wie Dengue-, HIV- und John Cunningham-Viren zu untersuchen. Das pandemische Coronavirus SARS-CoV-2 kann auch Mini Brains infizieren und die Erforschung der Infektionsmechanismen kann wichtige Rückschlüsse über die neurologischen Symptome, die bei vielen COVID-19 Patienten auftreten, geben (9).

Häufige psychiatrische Krankheiten wie z. B. Depression, Autismus, Schizophrenie und bipolare affektive Störung konnten bis vor kurzem auf molekularer Ebene kaum untersucht werden. Die Erfolgsquote der Medikamentenentwicklung in diesem Bereich ist erschreckend schlecht – seit 1975 sind insgesamt nur 33 Medikamente für psychiatrische Erkrankungen zugelassen worden (10). Die Schwierigkeit bei der Erforschung dieser Erkrankungen liegt im Fehlen geeigneter Modelle. Die üblichen Tierversuche können die Komplexität und die Symptome der menschlichen psychischen Störungen überhaupt nicht wiedergeben. Analysen von menschlichen Gehirnen sind i. d. R. nur in der letzten Krankheitsphase bei Obduktionen möglich, und selbst die einzelnen Patienten unterscheiden sich sehr stark voneinander. Die Möglichkeit, personalisierte Mini Brains von einzelnen Patienten abzuleiten und diese für das Screening und die Auswertung möglicher Therapien zu verwenden, hat ein großes Potenzial für eine viel bessere Medikamentenentwicklung in der Psychopharmakologie (11).

In den letzten Jahren ist es möglich geworden, Mini Brains auch in der Untersuchung von wichtigen neurodegenerativen Erkrankungen einzusetzen. In einer Studie wird ein Hochdurchsatz-Screening menschlicher Mittelhirn-Organoide für die Erforschung von Parkinson und anderen neurodegenerativen Erkrankungen vorgestellt (12). Andere gravierende neurodegenerative Erkrankungen, von denen immer mehr Menschen betroffen sind und für die derzeit wirksamen Therapien fehlen, sind die Alzheimer-Krankheit, die Amyotrophe Lateralsklerose (ALS) und die Huntington-Krankheit. Ähnlich wie bei den psychiatrischen Erkrankungen bieten Mini Brains auch hier einen guten Ansatz für die Erforschung dieser Krankheiten und die Entwicklung  wirksamer Medikamente (13). Menschliche Mini Brains eignen sich z. B. für die Erforschung von Alzheimer, da sie sehr viele der komplexen molekularen Merkmale der Krankheit widerspiegeln (13). Im Vergleich dazu besitzen die häufig benutzten „Mausmodelle“ nicht alle menschenspezifische Gehirnzelltypen und -bereiche, die eine Rolle bei Alzheimer spielen, was mit Sicherheit der Hauptgrund für die katastrophalen Ergebnisse dieser Tierversuche für die Medikamentenentwicklung ist.

Auch bösartige Krebserkrankungen und Hirntumore lassen sich mittels Mini Brains erforschen. So konnte in einer Studie gezeigt werden, dass zwei verschiedene Krebsmedikamente die Tumore angreifen und deren Wachstum hemmen, während die gesunden Gehirnzellen weitgehend unversehrt bleiben (6). Dieses Testsystem funktioniert prinzipiell mit Mini Brains beliebiger Spender sowie mit unterschiedlichen Hirntumorzellen.

Da das Gehirn die Funktionen von allen anderen Organen steuert, sind diese häufig von verschiedenen neuronalen Störungen beeinflusst. Um die Wechselwirkungen zwischen Gehirn, Nerven und weiteren Organen zu untersuchen, können Mini Brains zusammen mit anderen menschlichen Organoiden auf einem sogenannten Multi-Organ-Chip (MOC) gebracht werden. Ein MOC ist ein System, das bis zu 10 menschliche Mini-Organe über einen künstlichen Blutkreislauf und ggf. einen Urin-Kreislauf miteinander verknüpfen kann. So tauschen die Mini-Organe Stoffwechselprodukte, ähnlich wie im Körper, aus. Z. B. kann mit einem Blut-Hirn-Schranken-Chip genau vorhergesagt werden, ob ein Medikament vom Blut ins Gehirn übertreten kann(14). Chips, die von Personen mit neurologischen Erkrankungen hergestellt wurden, geben Aufschluss darüber, an welcher Stelle der Blut-Hirn-Schranke eine Störung vorliegt. Eine andere Studie mit Gehirn-Rückenmark-Assembloiden verknüpft mit Mini-Muskeln konnte Muskelzuckungen nach Stimulation der Mini Brains erzeugen (15).

Mini Brains können nicht nur zur Erforschung verschiedener Erkrankungen verwendet werden, sondern auch zur Vermehrung unseres Wissens über die menschliche Evolution. Das menschliche Gehirn, insbesondere die Großhirnrinde, hat sich im Vergleich zu anderen Tierarten besonders stark entwickelt. Ein besseres Verständnis dieses speziesabhängigen Unterschieds wird uns helfen, die Mechanismen der evolutionären Hirnentwicklung genauer nachvollziehen zu können. Da für die Erzeugung nur individuelle Haut- oder Haarzellen nötig sind, eröffnen Mini Brains neue Möglichkeiten für vergleichende Untersuchungen des Gehirns über die Tierarten hinweg. So hat ein Vergleich zwischen iPSC-abgeleiteten Mini Brains von Menschen, Schimpansen und Makaken Unterschiede in der Entwicklung von Gehirnzellen ergeben, die zu unterschiedlichen Ergebnissen führen, was die Größenunterschiede der Hirnrinde zwischen den Primatenarten erklären kann (5,16). Eine ähnliche Studie zeigte, dass grundlegende neurologische und genetische Entwicklungsprozesse bei Affen und Menschen stark unterschiedlich sind (17).

Ein weiterer Beweis dafür, dass Affen nicht für die Erforschung des menschlichen Gehirns geeignet sind, und dass für die biomedizinische Forschung der Zukunft moderne humanbasierte Methoden eingesetzt werden müssen, die heute bereits zur Verfügung stehen. 

Schaubild Mini Brain

Abbildung: Einige Beispiele für die möglichen Anwendungen menschlicher Mini Brains (Mitte): 1. Erforschung von Entwicklungsprozessen und Gehirnmissbildungen; 2. Analyse psychiatrischer Krankheiten; 3. Untersuchung neurodegenerativer Erkrankungen; 4. Entwicklung und Testung von Medikamenten; 5. Besseres Verständnis der menschlichen Evolution. Quelle: Qian et al. 2019 (5)

Verbesserungsmöglichkeiten

Obwohl die Mini Brains bereits gute Forschungsmöglichkeiten für viele Fragen bieten, die bisher schwer zu beantworten waren, weisen sie auch gewisse Grenzen und ein Verbesserungspotenzial auf. Zunächst einmal sind die Gehirnzellen der Mini Brains normalerweise nicht so ausgereift wie die im erwachsenen Gehirn und ähneln eher den Zellen des fetalen Gehirns. Die Generierung der komplexeren Gehirn-Organoide ist häufig variabel, was den Vergleich von Studien erschwert. Weiterhin besitzen die meisten Mini Brains zurzeit keine Blutgefäße, was ihre Sauerstoffversorgung beeinträchtigt. Deswegen sterben Mini Brains ab, wenn sie eine bestimmte Größe erreichen, weil der Sauerstoff von ihrer Umgebung nicht mehr in das Innere des Mini-Organs diffundieren kann. Aus diesem Grund werden die Mini Brains manchmal in lebende Tiere, z. B. Mäuse, implantiert, deren Blutgefäße in die Mini Brains hineinwachsen und sie mit Sauerstoff versorgen. Dieses Verfahren ist aber aus ethischen und wissenschaftlichen Gründen abzulehnen, da Chimären aus menschlichem Gewebe und einem tierischen Organismus nicht die Prozesse widerspiegeln können, die natürlicherweise im menschlichen Körper ablaufen. Zudem besitzen die meisten Mini Brain keine Immunzellen, die wichtig für die Abwehrreaktionen und für die Reaktionen auf Testsubstanzen sind.

Viele Forschungsgruppen arbeiten bereits intensiv daran, diese Einschränkungen zu überwinden und die Mini Brain-Modelle zu verbessern. In den letzten Jahren sind diese Systeme viel komplexer geworden. Es ist bereits möglich, mehrere Gehirnbereiche in denselben Mini Brains gleichzeitig abzubilden und zu analysieren. Es gibt Forschergruppen, denen es gelungen ist, Mini-Gehirne mit menschlichen Blutgefäßen, Immunzellen und Bindegeweben zu züchten (18). Die schnelle bisherige Entwicklung der Mini Brain-Modelle und ihr großes Potenzial für die biomedizinische Forschung und für die Medikamentenentwicklung zeigen, dass die gegenwärtigen Probleme bald gelöst werden können. Dafür braucht dieses innovative Forschungsfeld aber eine entsprechende Finanzierung. Zurzeit werden mehr als 99% der öffentlichen Fördergelder für biomedizinische Forschung in Deutschland für irreführende Tierversuche verschwendet, während weniger als 1% in moderne, menschenbasierte Methoden fließt. In der Zukunft müssen diese vielversprechenden, menschenrelevanten Technologien viel besser gefördert werden, wenn man die menschlichen Gehirnprozesse und –Erkrankungen besser verstehen und wirksam therapieren will.

Können Mini-Brains denken?

Aus ethischer Sicht stellen sich viele Menschen die Frage, ob die menschlichen Mini Brains denken und eine Art Bewusstsein entwickeln könnten. Während die Mini Brains viele Hirnprozesse nachahmen, ist die wissenschaftliche Gesellschaft sich einig, dass sie diese Fähigkeiten nicht besitzen. Die Mini Brains haben keine Gedanken, Gefühle oder Empfindungen und können daher unbedenklich für Versuche verwendet werden.

Fazit

Menschliche Mini Brains sind kleine 3D Strukturen, die die anatomischen und funktionellen Eigenschaften des menschlichen Gehirns nachahmen und ein großes Potenzial für die Erforschung der Prozesse des gesunden und kranken Gehirns besitzen. Viele wichtige Fragen über die Gehirnentwicklung, neurodegenerative, psychiatrische und onkologische Krankheiten, sowie über die menschliche Evolution konnten bereits dank dieser Systeme beantwortet werden. Eine schnelle Weiterentwicklung und Verbesserung der Mini Brains, damit sie die komplexeren biologischen Eigenschaften des Gehirns besser wiedergeben, ist auf alle Fälle zu erwarten. In unserer NAT-Database für tierversuchsfreie Forschungsmethoden (www.nat-datenbank.de, NAT = Non-Animal Technologies) sind bereits viele innovative Studien mit menschlichen Mini Brains zusammengefasst (19).

01.02.2021
Dr. rer. nat. Dilyana Filipova

Quellen

  1. Bennett DA. Lack of benefit with idalopirdine for Alzheimer disease: Another therapeutic failure in a complex disease process. JAMA. 2018; 319: 123–5
  2. Egan MF et al. Randomized trial of verubecestat for prodromal Alzheimer’s disease. New England Journal of Medicine. 2019; 380: 1408–20
  3. Yadav A et al. Brain organoids: tiny mirrors of human neurodevelopment and neurological disorders. Neuroscientist. 2020; 1073858420943192
  4. Marx V. Reality check for organoids in neuroscience. Nature Methods. 2020; 17: 961–4
  5. Qian X et al. Brain organoids: advances, applications and challenges. Development. 2019; 146 (8)
  6. Plummer S et al. A Human iPSC-derived 3D platform using primary brain cancer cells to study drug development and personalized medicine. Scientific Reports 2019; 9: 1407
  7. Li Y et al. Induction of expansion and folding in human cerebral organoids. Cell Stem Cell. 2017; 20: 385-396.e3
  8. Watanabe M et al. Self-organized cerebral organoids with human-specific features predict effective drugs to combat Zika virus infection. Cell Reports. 2017; 21: 517–32
  9. Bullen CK et al. Infectability of human BrainSphere neurons suggests neurotropism of SARS-CoV-2. ALTEX. 2020; doi: 10.14573/altex.2006111
  10. van der Doef TF et al. New approaches in psychiatric drug development. European Neuropsychopharmacology. 2018; 28: 983–93
  11. Rossetti AC et al. Drug discovery in psychopharmacology: from 2D models to cerebral organoids. Dialogues in Clinical Neuroscience. 2019; 21: 203–24
  12. Renner H et al. A fully automated high-throughput workflow for 3D-based chemical screening in human midbrain organoids. eLife. 2020; 9: e52904
  13. Venkataraman L et al. Modeling neurodegenerative diseases with cerebral organoids and other three-dimensional culture systems: focus on Alzheimer’s disease. Stem Cell Reviews and Reports. 2020; doi: 10.1007/s12015-020-10068-9
  14. Vatine GD et al. Human iPSC-derived blood-brain barrier chips enable disease modeling and personalized medicine applications. Cell Stem Cell. 2019; 24: 995-1005.e6
  15. Andersen J et al. Generation of functional human 3D cortico-motor assembloids. Cell. 2020; 183: 1913-1929.e26
  16. Otani T et al. 2D and 3D stem cell models of primate cortical development identify species-specific differences in progenitor behavior contributing to brain size. Cell Stem Cell. 2016; 18: 467–80
  17. Kanton S et al. Organoid single-cell genomic atlas uncovers human-specific features of brain development. Nature. 2019; 574: 418–22
  18. Wörsdörfer P et al. Generation of complex human organoid models including vascular networks by incorporation of mesodermal progenitor cells. Scientific Reports. 2019; 9: 15663
  19. NAT Database, www.nat-database.org 

 

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