Stanford-Forscher züchten erfolgreich menschliches Hirngewebe in Mäusen zur Erforschung neurologischer Krankheiten

Forschern ist es gelungen, lebende Mäuse zu erzeugen, deren äußeres Gehirn fast vollständig aus menschlichem Gewebe besteht. Wissenschaftler der Stanford University entfernten bei diesen Mäusen die körpereigenen neuronalen Bahnen, um ein räumliches Vakuum zu schaffen, das dann von im Labor gezüchtetem menschlichen Hirngewebe ausgefüllt wurde. Diese menschlichen Zellen nehmen etwa die Hälfte des gesamten Hirnraums der Maus ein und haben sich erfolgreich mit der Blutversorgung des Wirts, lokalen Neuronen sowie dem Rückenmark verbunden. Diese sogenannten „Xenokortex"-Tiere bieten eine beispiellose Perspektive für die Erforschung menschlicher neurologischer Erkrankungen – von Epilepsie und Autismus bis hin zu Zerebralparese. In ihrer Forschungsarbeit schrieben die Wissenschaftler: „Wir sehen voraus, dass der Xenokortex äußerst nützlich sein wird, um Daten auf Schaltkreis- und Verhaltensebene zu gewinnen, wobei menschliche Neuronen zur Erforschung der neuronalen Entwicklung, zur Modellierung von Krankheiten und zur Entwicklung von Therapien eingesetzt werden."

MRT-Aufnahmen von Querschnitten durch das Gehirn einer Xenokortex-Maus zeigen die geschätzten Faserbahnen und Richtungslinien des Nervensystems. Da menschliches Hirngewebe naturgemäß nicht zugänglich ist, war die Erforschung der neuronalen Entwicklung und Funktion äußerst schwierig. Nun helfen neuronale Modelle aus menschlichen Stammzellen den Forschern, dieses Hindernis zu überwinden. Diese Technik liefert zudem Einblicke in das Verhalten des Wirts und die Entwicklung der Zellen. Letztlich bieten diese hybriden Modelle einen vielversprechenden Ansatz, um das menschliche Gehirn in Gesundheit und Krankheit in Echtzeit zu untersuchen.

Technischer Durchbruch und genetische Veränderung der Mäuse

Ein typisches Mäusegehirn ist zu eng, um menschliches Gewebe in großem Umfang wachsen zu lassen; der Platzwettbewerb dominiert stets, und die menschlichen Zellen werden verdrängt. Um dieses Problem zu lösen, veränderte das Team unter der Leitung von Dr. Sergiu Pasca die Mäuse genetisch so, dass die Entwicklung ihrer eigenen Großhirnrinde und ihres Hippocampus unterbunden wurde. Diese Tiere wurden mit gewaltigen strukturellen Lücken geboren, in die anschließend Transplantate eingesetzt wurden. Die Wissenschaftler wandelten menschliche Hautzellen in Stammzellen um, züchteten daraus Mini-Hirn-Organoide und injizierten sie in Mäusejunge. Diese winzigen menschlichen Zellansammlungen überlebten und dehnten sich rasch aus; nach drei Monaten hatte das transplantierte menschliche Gewebe seine Größe verfünffacht, sich direkt mit den Blutgefäßen der Maus verbunden und Nervenfasern bis in das Rückenmark des Tieres ausgestreckt.

Das im Labor gezüchtete menschliche Hirngewebe dehnte sich nach der Transplantation rasch aus und nahm den größten Teil der Großhirnrinde der Maus ein. Mit seinem Wachstum entwickelten sich verschiedene spezialisierte menschliche Hirnzellen. Diese neuen Zellen verbanden sich anschließend direkt mit dem bestehenden Nervensystem der Maus. Hirnscans und elektrische Messungen zeigten, dass die transplantierten menschlichen Zellen in geordneten Mustern feuerten und ein Verhalten zeigten, das den Schaltkreisen eines sich entwickelnden Gehirns ähnelt. Die Mäuse konnten weiterhin normal laufen und sich bewegen; allerdings stellten die Forscher leichte Veränderungen bei der Koordination der Gliedmaßen und der Ausführung alltäglicher spontaner Gewohnheiten fest. Das Team erklärte: „Verhaltensanalysen von Mäusen ohne Kortex und mit Xenokortex zeigen, dass die motorischen Fähigkeiten weitgehend erhalten bleiben, es jedoch selektive Unterschiede in der Koordination der Gliedmaßen und der Organisation spontanen Verhaltens gibt."

Medizinische Bedeutung und ethische Überlegungen

Die medizinischen Implikationen sind unmittelbar. In einem Proof-of-Concept-Test setzten die Forscher Xenokortex-Mäuse fünf Stunden lang einer sauerstoffarmen Umgebung aus. Die menschlichen Neuronen erlitten schwerwiegende und selektive Schäden, die den Zellkollaps模拟ten, der bei menschlichen Säuglingen während einer schwierigen Geburt zu Zerebralparese führt. Unerwarteterweise brachte die Plattform zudem seltene Von-Economo-Neuronen hervor – einen speziellen Zelltyp, der bei frontotemporaler Demenz stark betroffen ist und bisher nicht effektiv im Labor gezüchtet werden konnte. Mit dem Fortschreiten der Forschung überwachen Bioethiker und Philosophen aktiv das Wohlergehen und den kognitiven Zustand dieser Tiere.

Für die Millionen von Patienten mit nicht behandelbaren neurologischen Erkrankungen jedoch stellen diese Chimär-Mäuse einen wichtigen Fortschritt dar, der die Black Box des menschlichen Gehirns ans Licht bringt. Die Forschungsergebnisse wurden am 16. September in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht.

Auswirkungen von Chimär-Mäusen auf die Erforschung neurologischer Krankheiten

Der Erfolg dieser Studie zeigt das Potenzial, menschliches Hirngewebe in Mäusen wachsen zu lassen, und eröffnet neue Wege für die Erforschung neurologischer Krankheiten. Durch genetische Veränderung können Mäuse menschliche Zellen aufnehmen, und diese Zellen können effektiv mit dem Nervensystem des Wirts interagieren – was für das Verständnis der menschlichen neuronalen Entwicklung und von Krankheitsmechanismen entscheidend ist. Darüber hinaus werfen die Fortschritte dieser Technik Fragen zum Tierwohl und zu ethischen Belangen auf, da Verhalten und kognitiver Zustand dieser Chimär-Mäuse weiterhin überwacht werden müssen.