Realitätscheck für Organoide in den Neurowissenschaften

Nature Methods Band 17, Seiten 961–964 (2020)Diesen Artikel zitieren

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Um die menschliche Neuroentwicklung besser untersuchen zu können, entwickeln Forscher Organoide als Gehirnmodelle weiter.

Organoide, bei denen es sich um aus Stammzellen gewonnene dreidimensionale experimentelle Modelle handelt, halten Einzug in viele Bereiche, einschließlich der Neurowissenschaften, wo ein dringender Bedarf an Modellen komplexer Prozesse besteht, beispielsweise bei der neurologischen Entwicklung der Gebärmutter und bei neuropsychiatrischen Störungen1,2,3,4. Aber Gehirnorganoide haben keinen reibungslosen Einzug in die Neurowissenschaften. „Aus meiner Sicht sind Gehirnorganoide coole Modelle ihrer selbst“, sagt Carla Shatz, Neurowissenschaftlerin an der Stanford University. Wie bei allen In-vitro-Studien sagt sie: „Selbst unter realistischeren Bedingungen in drei Dimensionen als im Flachland sagt Ihnen alles, was Sie lernen, etwas darüber, was passieren kann, und nicht darüber, was in vivo passiert.“ Diese Modelle können viel über die Zellbiologie menschlicher Neuronen lehren, „was wunderbar ist“, sagt sie. „Dann stellt sich die Frage: Wie lassen sich Ergebnisse anhand menschlicher Gehirnproben auf die Realität überprüfen?“

Zweifellos, so die Entwickler von Gehirn-Organoid-Methoden, handelt es sich hier nicht um „Gehirne in einer Schüssel“, noch um Einblicke in alle Facetten der intrauterinen Neuroentwicklung, noch enthüllen sie jedes Detail darüber, wie das Gehirn eines Neugeborenen zum Gehirn eines kleinen Menschen mit einer Erkrankung wird „schreckliche Zweier“ und ein entschlossenes Beherrschen des Wortes „Nein“. Wie Madeline Lancaster vom MRC Laboratory of Molecular Biology sagt, „fehlen allen Gehirnorganoiden in vitro bisher viele wichtige Merkmale des Gehirns in vivo“, wie etwa ein funktionierendes Gefäßsystem und ein Immunsystem. Organoiden fehlt die Anatomie des echten menschlichen Gehirns, sagt Giorgia Quadrato von der Keck School of Medicine der University of Southern California. Sie sagt jedoch, es handele sich um Modelle, mit denen wir die Entwicklung und Krankheit des menschlichen Gehirns auf eine Weise charakterisieren könnten, die der neurowissenschaftlichen Gemeinschaft jahrzehntelang entgangen sei. Um ihre Forschungsgemeinschaft zu vergrößern und auf die Bedenken derjenigen in den Neurowissenschaften einzugehen, die Organoide und die daraus gezogenen Schlussfolgerungen möglicherweise mit gerunzelter Stirn betrachten, verstärken Lancaster, Quadrato und andere die Weiterentwicklung organoider Methoden.

Gehirnorganoide werden immer komplexer und dynamischer. Das Lancaster-Labor hat Organoide aus induzierten pluripotenten Stammzellen (iPSCs) erzeugt, die eine Flüssigkeit absondern können, die der Zerebrospinalflüssigkeit (CSF) ähnelt5. Es handelt sich um ein Modell des Plexus choroideus (ChP) des Gehirns, der sich in jedem Gehirnventrikel befindet und Liquor absondert. Aderhautepithelzellen regulieren den Übergang vom Blut zum Liquor. Wie Violeta Silva-Vargas und Fiona Doetsch von der Universität Basel anmerken6, „hat der Mangel an Werkzeugen die Erforschung des ChP, insbesondere beim Menschen, eingeschränkt.“ Aus proteomischer Sicht, sagt Lancaster, sei es schwer, den Unterschied zwischen der Flüssigkeit, die diese Organoide produzieren, und dem tatsächlichen Liquor des Gehirns zu erkennen. „Aber wir können es nicht wirklich von echtem Liquor sprechen, weil er in vitro hergestellt wird und es Dinge gibt, die aus den Medien stammen, wie zum Beispiel von Mäusen oder Rindern stammende Proteine, die natürlich in vivo im menschlichen Liquor nicht vorhanden wären“, sagt sie . In diesem System befindet sich Kuhalbumin und nicht menschliches Albumin, da Rinderserumalbumin als Zellmediumzusatz vorhanden ist. Seit der Veröffentlichung hat sie von Laboren gehört, die planen, das System für neurotoxikologische Tests zu verwenden, um unerwünschtes Eindringen in das Gehirn zu überprüfen. Andere Teams planen, bessere Wege zu erforschen, um Medikamente ins Gehirn zu bringen, oder wie sich Liquor bei Krankheitszuständen verändern könnte. Das Labor in Lancaster nutzt die Organoide, um die Entwicklung und Evolution des Plexus choroideus zu untersuchen, auch im Verhältnis zum Rest des Gehirns. „Wir stellen außerdem fest, dass diese Organoide einen interessanten Einblick in die Biologie dieser wenig erforschten Gehirnregion bieten und dass sie auch in Verbindung mit anderen Gehirnorganoiden verwendet werden können, um die Krankheitsbiologie, einschließlich der Auswirkungen von SARS-CoV-2, zu verstehen.“ Sie sagt.

Als Medizinstudent in Rumänien wollte der Forscher der Stanford University, Sergiu Pașca, eine Verbesserung für seine Patienten, die an neuropsychiatrischen Störungen litten – schon gar nicht durch den Einsatz einer Trepanation, bei der ein Loch in den Schädel einer Person gebohrt wird, um einen „Wahnsinnsstein“ zu entfernen, wie es durchgeführt wurde im Mittelalter und dargestellt von Hieronymus Bosch, einem von Pașcas Lieblingsmalern. Im Sommer arbeitete Pașca in den Laboren des Max-Planck-Instituts für Hirnforschung in Frankfurt und zeichnete Daten aus dem visuellen Kortex der Katze auf. „Ich war erstaunt, was es eigentlich bedeutet, Zugang zu einem Neuron zu haben“, sagt er. Er träumte davon, menschliche Neuronen direkt zu untersuchen. Als Möglichkeiten zur Erzeugung von iPSCs auftauchten, startete er eine Forschungskarriere als Postdoktorand im Labor von Ricardo Dolmetsch in Stanford. Er modellierte eine mit Autismus verbundene Mutation, die Kalziumkanäle in elektrisch aktiven Neuronen beeinflusst, die von iPSCs abgeleitet sind. Neuronen in Monoschichten zu schichten und sie lange genug am Leben zu halten, um sie beobachten zu können, um die kortikale Entwicklung zu modellieren, sei „ein Albtraum“ gewesen, sagt er. Aus Frustration versuchte er es mit einer Platte mit geringer Anhaftung, auf der die Zellen zu schwebenden, kugelförmigen Strukturen wuchsen. Jetzt leitet er in seinem eigenen Stanford-Labor ein Team, das diese Techniken zur Führung von Organoiden, die bis zu 800 Tage leben, weiterentwickelt hat. Organoide sind eine Möglichkeit, Experimente zu vergrößern. Sie können mit der Einzelzellanalyse mit hoher Auflösung beurteilt werden. Die Anwendung molekularbiologischer Techniken auf Organoide ist eine Möglichkeit, die menschenspezifische Natur neuropsychiatrischer Störungen und der Gehirnentwicklung zu verstehen. Das Pașca-Labor und Forscher anderswo haben Organoide zu Assembloiden verknüpft. Bei einem solchen Assembloid handelt es sich um ein Organoid, das mit erregenden Neuronen angereichert ist, und ein anderes, das mit hemmenden Neuronen angereichert ist7. Das Modell erfasst Aspekte der axonalen Wegfindung und auch der Migration, beispielsweise wie einige Neuronenpopulationen vom ventralen zum dorsalen Vorderhirn wandern. Diese Migration findet im Gehirn eines Fötus statt und setzt sich postnatal fort, sagt Pașca, und sie scheint bei einer Reihe von neurologischen Entwicklungsstörungen, darunter einigen Arten von Epilepsie und Autismus, in Unordnung zu sein. Das Labor entwickelt ein Drei-Wege-Cortico-Motor-Assembloid. Es handelt sich um ein kortikales Organoid, ein Rückenmarksorganoid und einen Muskel, die in vitro zu einer dreidimensionalen Struktur gewachsen sind. Im Körper projizieren kortikale Neuronen zum Rückenmark und verbinden sich mit spinalen Motoneuronen, die zum Muskel projizieren und neuromuskuläre Verbindungen bilden, die Muskelaktivität auslösen können. In diesem Schaltkreismodell führt die optogenetische Stimulation des kortikalen Organoids dazu, dass das Muskelorganoid zuckt.

Bei der Herstellung von Gehirnorganoiden wählen Forscher aus vielen Protokollen aus und optimieren sie. Für ihr neuestes Projekt modifizierte Lancaster das bestehende Protokoll des Labors zur Herstellung zerebraler Organoide. „Tatsächlich haben wir herausgefunden, dass verschiedene Ansätze zur Generierung einer Vorderhirnidentität als Ausgangspunkt gut funktionieren“, sagt sie. Dabei könne es sich um ein zerebrales Organoid-Kit wie das kommerzielle von Stemcell Technologies handeln, sagt sie, oder um selbstgemachte Medien und ein Gerüst aus Fasern aus Polylactid-Co-Glycolid, wie es ihr Labor zuvor getan hat8. Um eine subregionale Identität des Plexus choroideus zu fördern, war es laut Lancaster wichtig, Wnt- und Bmp-Signalwegaktivatoren zu verwenden, um das Gewebe in eine dorsalere Identität zu lenken, die den Bereich widerspiegelt, in dem sich der Plexus choroideus entwickelt. Obwohl es sich um eine einfache Änderung handelte, bestand der „schwierige Teil darin, die richtige Konzentration und das richtige Timing herauszufinden, aber als wir das herausgefunden hatten, stellten wir fest, dass dieser kleine Anstoß äußerst effizient ist.“

Wie Quadrato von der USC sagt, weisen lästige Erkrankungen wie Autismus-Spektrum-Störung, bipolare Störung oder Schizophrenie eine Reihe von Symptomen auf, die von Person zu Person erheblich variieren können. Die Erkrankungen sind hauptsächlich polygener Natur, mit heterogenen Kombinationen vieler zusammenarbeitender Allele, und auch verschiedene anatomische und Kreislaufveränderungen können eine Rolle spielen. Jeder Patient kann einen anderen genetischen Hintergrund haben. Um die Mechanismen zu modellieren, die diesen Störungen zugrunde liegen, kann man mit den Zellen eines Patienten beginnen, sie dazu bringen, pluripotente Stammzellen zu werden, daraus Organoide erzeugen und eine umfassende Charakterisierung durchführen, einschließlich der Einzelzell-RNA-Sequenzierung. Kortikale Organoide sind robuster und reproduzierbarer geworden, sagt Quadrato, dank der Arbeit einer Reihe von Teams, darunter Paola Arlottas Labor an der Harvard University9,10. (Quadrato schloss ihr Postdoktorandenstipendium im Arlotta-Labor ab, leitete die fragliche Arbeit jedoch nicht.) Das Arlotta-Team und Kollegen an anderen Institutionen verwendeten Einzelzell-RNA-Sequenzierung, um Zellen aus 21 Organoiden zu charakterisieren, die nach drei und sechs Monaten gesammelt wurden. Kortikale Organoide aus verschiedenen menschlichen Stammzelllinien, sowohl männlichen als auch weiblichen, lieferten nahezu identische Kompendien kortikaler Zelltypen. „Man erhält in jedem einzelnen Organoid immer das gleiche Verhältnis verschiedener kortikaler Zelltypen“, sagt Quadrato. Gleich zu Beginn von Gehirn-Organoid-Experimenten ist die Identität wichtig. Stammzellen wachsen zu Zellklumpen, sogenannten Embryoidkörpern, heran, die sich möglicherweise in die drei Keimschichten – Ektoderm, Mesoderm und Endoderm – differenzieren können, aus denen alle Gewebe des menschlichen Körpers entstehen. Gehirnorganoidforscher treiben diese Entwicklung voran. Sie können Signalmoleküle wie Morphogene nutzen, um Ektoderm zu erzeugen, die Schicht, aus der sich das Gehirn entwickelt. „Die Standardwahl des Organoids besteht darin, Kortex zu werden“, sagt Quadrato. Die Abstammungsverläufe zwischen menschlichem Kortex und kortikalen Organoiden sind ähnlich. Einige zelluläre Subtypen können in einem Organoid fehlen, sodass nicht alle Gehirnregionen oder sensorische Eingaben eines „Körpers“ vorhanden sind. Obwohl kortikale Organoide durchaus reproduzierbar geworden sind, „wird es schwieriger, wenn man andere Gehirnregionen herstellen will“, sagt Quadrato. Das Kleinhirn fasziniert als die Gehirnstruktur mit den meisten Neuronen im Gehirn. Es hat sich im Laufe der Evolution am stärksten ausgeweitet und scheint eine große Rolle beim Erwerb menschenspezifischer kognitiver Merkmale gespielt zu haben. Es gibt immer mehr Belege für seine Rolle bei Erkrankungen wie Autismus. Eines ihrer Laborprojekte stellt sicher, dass Kleinhirnorganoide reproduzierbar hergestellt werden können. Ein Organoid des Gehirns wird immer die Tendenz haben, ein Vorderhirn zu bilden, sagt sie. Das bedeutet, dass Organoide anderer Gehirnregionen von Charge zu Charge und über verschiedene Zelllinien hinweg variieren können. Diese Heterogenität und Variabilität kann es für Wissenschaftler schwierig machen, aus ihren Organoiden Rückschlüsse auf die Mechanismen zu ziehen, die Störungen zugrunde liegen. Um die Identität von Zellen in einem bestimmten Organoid aufzudecken, sind Hochdurchsatz- und hochauflösende Techniken erforderlich. „Ansonsten ist es sehr schwierig zu verstehen, was vor sich geht, und sie zu charakterisieren“, sagt sie. Sie befürchtet, dass einige Labore mit der Arbeit an Organoiden beginnen, aber unterschätzen, wie viel Zeit, Mühe und letztendlich Geld es kostet, Organoide gründlich zu charakterisieren. Mit zunehmender Reife der Technologien werden die Kosten sinken, aber wenn man die falschen Techniken anwendet oder sie falsch auf ein In-vitro-Modell anwendet, „kann man völlig falsche Schlussfolgerungen ziehen“, sagt sie. Zu den Techniken, die sie in ihrem Labor etabliert, gehört Patch-seq, bei dem die elektrische Aktivität eines oder mehrerer Neuronen durch Patch-Clamping und anschließende RNA-Sequenzierung aufgezeichnet wird. Bei der Arbeit mit Mäusen gibt der Standort Hinweise auf die Zelltypen, von denen man aufzeichnet. Einem Organoid fehlen solche anatomischen Bezugspunkte, und eine „blinde“ Aufnahme von überall in einem Organoid sei eine schlechte Idee, sagt sie. Mit Patch-seq kann man die RNA aus den gerade patch-clampierten Zellen absaugen und „dann schaut man sich dieses Profil an; es ist sehr hilfreich.“

„Man kann wirklich auf Zelltypebene aufklären, was vor sich geht“, sagt Michael Fernando über Patch-seq. Er ist Doktorand an der Icahn School of Medicine am Mt. Sinai im Labor von Kristen Brennand, die neuropsychiatrische Erkrankungen durch die Verbindung von Stammzellbiologie und Neurowissenschaften modelliert und mit der Verwendung von Organoiden begonnen hat. Er wird vom Mt. Sinai-Neurowissenschaftler und Elektrophysiologen Paul Slesinger gemeinsam beraten. Fernando möchte Patch-seq mit Organoiden erlernen und anwenden, um zu beurteilen, wie sich Störungen oder Gen-Editing-Experimente auf die Genexpression oder elektrophysiologische Ergebnisse auswirken könnten. Fernando nahm an einem praktischen Kurs über Protokolle und experimentelles Design teil, der vom Pașca-Labor in Stanford durchgeführt wurde, um die „nächste Generation“ von Hirnorganoidforschern zu erreichen. „Es war eine wirklich coole Erfahrung“, sagt Fernando. „Ich habe meinen PIs die ganze Woche über E-Mails mit neuen Ideen geschickt.“ Nach den Vorträgen richteten sich die Teilnehmer an den Arbeitsplätzen ein. Es dauert Wochen, Stammzellen in Neuronen zu differenzieren und sie zu Organoiden wachsen zu lassen, daher hatte das Pașca-Labor Organoide für sie vorbereitet. Über die Techniken der Stammzellkultur hinaus, sagt Fernando, lernten sie, wie man Stammzellen aus Vertiefungen löst, um „schöne, kugelförmige“ Kugeln zu formen. „Sie sollten glücklich sein“, sagt er. Die Protokolle unterscheiden sich, beispielsweise hinsichtlich der Verwendung der Arten von Wachstumsmedien, und jede Komponente macht einen Unterschied. Als Fernando und seine Kommilitonin Aleta Murphy nach dem Kurs Organoide erzeugten, begannen einige zu sterben. Er bat das Pașca-Labor über den Slack-Kanal des Kurses um Rat, der nun für das gesamte Brennand-Labor geöffnet ist, und „sie reagieren hervorragend“, sagt er. „Wenn sie das noch einmal tun, wird unsere Familie wachsen“, sagt er. „Wir werden im Laufe unserer Karriere weiterhin miteinander interagieren.“

In Fernandos Doktorarbeit geht es darum, mithilfe von Stammzelllinien, Genomik und Elektrophysiologie die Funktion der vielen Spleißvarianten des Neurexin-1-Gens zu untersuchen. Deletionen in diesem Gen wurden in Neuronen entdeckt, die aus Zellen differenziert wurden, die von Menschen mit einer Reihe neuropsychiatrischer Erkrankungen wie Schizophrenie, Autismus und geistiger Behinderung gespendet wurden. Im Jahr 2011 verglichen Brennand und andere Neuronen von Schizophreniepatienten mit Zellen von Menschen ohne diese Erkrankung und stellten eine verminderte neuronale Konnektivität fest11. Einige Varianten sind selten, andere häufig; Sie bergen wahrscheinlich zusammen ein Krankheitsrisiko. Aufbauend auf solchen Arbeiten und unter Verwendung von Organoiden möchte Fernando zelltypspezifische Effekte von Neurexin-Spleißisoformen und umfassendere Effekte untersuchen, da Neurexine für die Neurotransmission und den Neuroschaltkreis essentiell sind. Einige Labore haben Mäuseneuronen mit Neurexin-1-Deletionen untersucht und festgestellt, dass die Neuronen unverändert aussehen, sagt er, doch die gleichen Deletionen in menschlichen Neuronen erzeugen unterschiedliche Phänotypen. Mit menschlichen Gehirnorganoiden „kommen wir einem besseren Modellsystem näher“, sagt er. Als junger Neurowissenschaftler hat er bereits gelernt, wie wichtig es ist, Artenunterschiede zu beachten. Mit Organoiden „können wir eine menschenspezifische Plattform nutzen, um diese Fragen zu bewerten.“

Das Gehirn von Mäusen ähnelt in vielerlei Hinsicht dem menschlichen Gehirn, und Mäuse werden zur Untersuchung der neurologischen Entwicklung oder psychiatrischer Erkrankungen eingesetzt, sagt Quadrato, der an Mäusen und Organoiden arbeitet. Aber auch das Gehirn von Maus und Mensch unterscheidet sich anatomisch deutlich. Beispielsweise ist das Gehirn der Maus lissenzephal, es fehlt ihm die tief gefaltete Struktur des menschlichen Kortex. Psychiatrische Störungen beeinträchtigen die Gehirnfunktion höherer Ordnung, daher sei es schwierig, sie bei Mäusen zu modellieren, sagt sie. Es ist nicht möglich, die Entwicklung des menschlichen Gehirns im Mutterleib zu untersuchen. Wenn Labore menschliches fötales Gewebe untersuchen, haben sie nur einen „Schnappschuss“ zu einem bestimmten Zeitpunkt. Als Gehirnmodell, sagt Quadrato, können Organoide Prozesse der Gehirnentwicklung und Krankheiten auf neue Weise erfassen. Um Technologie mit Laboren zu teilen, die weniger Erfahrung mit Stammzellen haben, werden Kits „einen großen Unterschied machen“ bei der Standardisierung und Ausweitung der Bemühungen, sagt Pașca. Diesen Herbst bringt Stemcell Technologies die STEMdiff Dorsal and Ventral Forebrain Organoid Media-Systeme auf den Markt, die von Stanford lizenziert und im Pașca-Labor entwickelt wurden, sagt Jason Hamlin, der sich bei dem Unternehmen auf Produkte für neurowissenschaftliche Labore konzentriert.

Einige Experimentatoren misstrauen der Theorie im Allgemeinen, sagt Eve Marder, Neurowissenschaftlerin an der Brandeis University. Für sie ist „die Theorie per Definition nicht real“. Die Theorie schlägt neue Denkweisen vor, statt das Bekannte zu replizieren. Ihrer Ansicht nach weisen die Reaktionen einiger Mitglieder der neurowissenschaftlichen Gemeinschaft auf Organoide einige Merkmale dieses Misstrauens gegenüber der Theorie auf. Es ist der Unterschied zwischen denen, „die studieren, was tatsächlich ist“, und Menschen, die nach Wegen suchen, „herauszufinden, wie die Dinge sein könnten“. Es sei „fabelhaft“, an Organoiden zu arbeiten, so wie „wirklich gute Theorie in den Neurowissenschaften unglaublich lehrreich und aufschlussreich ist“, sagt Marder. Mit Organoiden sind Experimente möglich, die in einem sich normal entwickelnden Gehirn nicht möglich sind. Aber die Verwendung von Organoiden bedeute, „etwas zu konstruieren, das nicht mit dem echten Gehirn identisch ist“. Wenn diese Arbeit gut gemacht wird und die richtigen Fragen gestellt werden, werden Erkenntnisse möglich, die zu besseren Fragen führen, wenn man mit dem „echten Gehirn“ arbeitet. Marder untersucht neuronale Schaltkreise in Hummern und Krabben. Eine Seite von ihr „findet Organoide äußerst faszinierend“, sagt sie. „Und dann glaubt der konservative, neurowissenschaftliche Reduktionist in mir immer noch, dass sie erfunden sind.“ Einige Beobachtungen an Organoiden sind möglicherweise nicht besonders hilfreich für das Verständnis, wie Dinge im echten Gehirn funktionieren, aber Organoide werden, so sagt sie, Aspekte offenbaren, „die völlig neue Forschungsrichtungen eröffnen könnten, weil man etwas sieht, das man sich sonst nie hätte vorstellen können.“ Sie fühlt sich wohl dabei, scheinbar widersprüchliche Positionen einzunehmen. Organoide verraten viel über das Potenzial von biologischem Material und Zellen. „Aber sie werden Ihnen nicht sagen, wie das tatsächliche Gehirn es gemacht hat.“ Diese Modelle können Aufschluss über grundlegende Mechanismen geben, die an der Gehirnentwicklung beteiligt sind, aber die Art und Weise, wie diese Mechanismen während der tatsächlichen Gehirnentwicklung ins Spiel kommen, „könnte in wichtiger und möglicherweise unvorhersehbar wichtiger Weise unterschiedlich sein“, sagt sie. Zu den Rätseln, mit denen neurowissenschaftliche Labore konfrontiert sind, gehört laut Marder die Unterscheidung, ob es sich bei einem Befund um ein grundlegendes, allgemeines Prinzip oder hauptsächlich um die Eigenheiten einer bestimmten Spezies, einer bestimmten Gehirnregion oder einer Gruppe von Neuronen handelt. Einige Labore bewältigen diese Rätsel gut, während andere in den Eigenheiten ihrer Vorbereitungen gefangen bleiben. Pharmakologieorientierte Labore müssen besonders vorsichtig sein. Verbindungen wirken in verschiedenen Spezies, in verschiedenen Zelltypen und bei unterschiedlichen Temperaturen und pH-Werten unterschiedlich. Organoide haben den Vorteil, dass sie aus menschlichen Zellen hergestellt werden können. „Sie sind kein menschliches Gehirn, aber sie sind menschlich“, sagt Marder. Obwohl Schaltkreise mit Organoiden modelliert werden können, müsse man, um einen Schaltkreis tiefgreifend zu verstehen, an einem Tier arbeiten, sagt sie. Mit Organoiden können Forscher die neurologische Entwicklung auf eine Weise untersuchen, die bei Menschen nicht untersucht werden kann. „Ist die Art und Weise, wie das Organoid es tut, so, wie es in der Gebärmutter geschieht? Vielleicht, vielleicht auch nicht“, sagt sie. Ein glückliches Labor lernt „etwas völlig Neues“ und benötigt dann Möglichkeiten, den Befund in einem sich tatsächlich entwickelnden Gehirn zu beurteilen. „Das Organoid ist kein Gehirn; es ist kein sich entwickelndes Baby“, sagt sie. „Der eigentliche Schlüssel besteht darin, die Menschen dazu zu zwingen, absolut ehrlich darüber zu sein, was ihrer Meinung nach die neuen Prinzipien sind, die sie gelernt haben“, sagt sie. Gute Labore, die Organoide untersuchen, „werden Dinge entdecken, die wir nicht wussten“, sagt sie.

Organoide seien noch ein so neues Forschungsgebiet, sagt Lancaster, und „zugegebenermaßen lernen wir gerade erst, was diese Gewebe leisten können.“ Ihr Hintergrund liegt in der In-vivo-Forschung und der frühen Gehirnentwicklung. „Ich bin immer wieder beeindruckt von den Ähnlichkeiten zwischen Organoiden und dem sich entwickelnden Gehirn“, sagt sie. Forscher, die keine Entwicklungsbiologen sind, könnten sich ein Gehirnorganoid ansehen und denken: „Na ja, das sieht nicht wirklich wie ein Gehirn aus“, sagt sie. Bei der Beurteilung der Zellen und der Gewebearchitektur „merkt man tatsächlich, dass es wirklich bemerkenswert ist, wie ähnlich sie sind“, sagt sie. „Außerdem denke ich, dass es wichtig ist, sich daran zu erinnern, dass selbst manchmal das, was manche als „In-vitro-Artefakte“ bezeichnen, sehr aufschlussreich sein kann, da sie uns sagen, wozu Zellen fähig sind, und bestimmte zelluläre Verhaltensweisen offenbaren, von denen Sie nicht einmal wussten, dass sie ebenfalls stattfinden in vivo.“

Ein Problem, das Pașca sieht, ist, dass die Neurowissenschaften und die Stammzellengemeinschaft oft ein recht getrenntes Leben führen. Viele gängige neurowissenschaftliche Instrumente wie Patch-Clamping und Optogenetik werden nur langsam in die Arbeit mit Organoiden integriert, bei denen es sich um ein „neues Präparat“ handele, sagt er. Es ist mehr bereichsübergreifende Kommunikation erforderlich, um mithilfe dieser Modelle mehr über die „unzugänglichen Phasen der menschlichen Gehirnentwicklung“ zu erfahren, beispielsweise darüber, was in späten Stadien der Schwangerschaft und in der postnatalen Entwicklung geschieht.

Als Entwicklungsneurobiologe, der translatorische Aspekte im Auge behält, sieht Quadrato in Organoiden großes Potenzial für die Modellierung des menschlichen Gehirns. Forscher müssen beispielsweise prüfen, ob ein bestimmter Mausgehirn-Phänotyp auch ein menschlicher Phänotyp ist, und verstehen, ob eine Änderung des genetischen Hintergrunds den Phänotyp verändert oder nicht. „Ich denke, dass man zum Beispiel verschiedene Modelle des Gehirns kombinieren sollte“, sagt sie. Sie arbeitet mit Kollegen aus dem Tissue Engineering und der synthetischen Biologie mit dem Ziel zusammen, Assembloide zu bauen und zu kontrollieren, wie sich axonale Verbindungen zwischen den Organoiden bilden. Lancaster findet, dass die Reproduzierbarkeit mit Gehirnorganoiden heutzutage „tatsächlich deutlich verbessert“ ist. Sie ist der Meinung, dass „eine Verschmelzung von Entwicklungsbiologie und Bioingenieurwesen eine wichtige Zukunftsrichtung sein wird, die die Weiterentwicklung dieser Techniken vorantreiben kann.“ Beispielsweise werde die Einbeziehung mechanischer Signale sowie signalisierender Faktoren „aus meiner Sicht von entscheidender Bedeutung sein“.

Die Arbeit mit Gehirnorganoiden kann für Neulinge entmutigend wirken, sagt Quadrato, aber es gibt noch viel Raum für die Forschungsgemeinschaft von Gehirnorganoiden, um sich zu vergrößern. Diese Arbeit wird viele Techniken, einschließlich Einzelzelltechniken, mehrere Disziplinen und verschiedene Arten der Modellierung des menschlichen Gehirns kombinieren. Sie sieht keinen Grund, beispielsweise nur Organoide zu verwenden und Mäuse und andere Modelle zu vergessen. Pașca stimmt zu. Gehirnorganoide seien ein weiteres Werkzeug, von dem keines perfekt sei, sagt er. Ein Gehirnorganoid sei kein echtes menschliches Gehirn, sagt Quadrato, es sei ein „reduktionistisches Modell“. Man müsse, sagt sie, die Grenzen des Organoidsystems sowie seine Stärken herausarbeiten – „was wir mit hoher Genauigkeit modellieren können und was nicht.“

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Marx, V. Realitätscheck für Organoide in den Neurowissenschaften. Nat Methods 17, 961–964 (2020). https://doi.org/10.1038/s41592-020-0964-z

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Veröffentlicht: 09. September 2020

Ausgabedatum: Oktober 2020

DOI: https://doi.org/10.1038/s41592-020-0964-z

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