In einer Studie, die in der Zeitschrift veröffentlicht wird Zelle Stammzelle Am 2. Februar zeigen Forscher, dass Gehirnorganoide – Klumpen von im Labor gezüchteten Neuronen – sich in Rattengehirne integrieren und auf visuelle Stimulation wie blinkende Lichter reagieren können.
Jahrzehntelange Forschung hat gezeigt, dass wir einzelne Neuronen von Menschen und Nagetieren in Gehirne von Nagetieren transplantieren können, und in jüngerer Zeit wurde gezeigt, dass Organoide des menschlichen Gehirns sich in sich entwickelnde Gehirne von Nagetieren integrieren können. Ob sich diese organoiden Transplantate jedoch funktionell in das visuelle System verletzter erwachsener Gehirne integrieren lassen, muss noch untersucht werden.
„Wir haben uns darauf konzentriert, nicht nur einzelne Zellen zu transplantieren, sondern tatsächlich Gewebe zu transplantieren“, sagt Seniorautor H. Isaac Chen, Arzt und Assistenzprofessor für Neurochirurgie an der University of Pennsylvania. „Gehirn-Organoide haben eine Architektur; sie haben eine Struktur, die dem Gehirn ähnelt. Wir konnten einzelne Neuronen innerhalb dieser Struktur betrachten, um ein tieferes Verständnis der Integration von transplantierten Organoiden zu gewinnen.“
Die Forscher kultivierten etwa 80 Tage lang aus menschlichen Stammzellen gewonnene Neuronen im Labor, bevor sie sie in die Gehirne erwachsener Ratten transplantierten, die Verletzungen ihres visuellen Kortex erlitten hatten. Innerhalb von drei Monaten hatten sich die transplantierten Organoide in das Gehirn ihres Wirts integriert: Sie wurden vaskularisiert, nahmen an Größe und Zahl zu, sendeten neuronale Projektionen aus und bildeten Synapsen mit den Neuronen des Wirts.
Das Team nutzte fluoreszierend markierte Viren, die an Synapsen von Neuron zu Neuron hüpfen, um physikalische Verbindungen zwischen dem Organoid und den Gehirnzellen der Wirtsratte zu erkennen und zu verfolgen. „Indem wir einen dieser viralen Tracer in das Auge des Tieres injizierten, konnten wir die neuronalen Verbindungen stromabwärts der Netzhaut verfolgen“, sagt Chen. „Der Tracer hat es bis zum Organoid geschafft.“
Als nächstes verwendeten die Forscher Elektrodensonden, um die Aktivität einzelner Neuronen innerhalb des Organoids zu messen, wenn die Tiere blinkenden Lichtern und abwechselnd weißen und schwarzen Balken ausgesetzt waren. „Wir haben gesehen, dass eine große Anzahl von Neuronen innerhalb des Organoids auf bestimmte Lichtrichtungen reagierte, 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.“
Das Team war überrascht, in welchem Ausmaß sich die Organoide innerhalb von nur drei Monaten integrieren konnten. „Wir hatten nicht erwartet, diesen Grad an funktionaler Integration so früh zu sehen“, sagt Chen. „Es gab andere Studien, die sich mit der Transplantation einzelner Zellen befassten, die zeigen, dass selbst 9 oder 10 Monate, nachdem Sie menschliche Neuronen in ein Nagetier transplantiert haben, sie immer noch nicht vollständig ausgereift sind.“
„Neuronale Gewebe haben das Potenzial, Bereiche des verletzten Gehirns wieder aufzubauen“, sagt Chen. „Wir haben noch nicht alles ausgearbeitet, aber das ist ein sehr solider erster Schritt. Jetzt wollen wir verstehen, wie Organoide in anderen Bereichen des Kortex verwendet werden können, nicht nur im visuellen Kortex, und wir wollen die Regeln dafür verstehen steuern, wie sich organoide Neuronen in das Gehirn integrieren, damit wir diesen Prozess besser kontrollieren und beschleunigen können.“