Neuronale Bahnen wurden bei Mäusen mit Rattenzellen regeneriert

MADRID, 26. April (EUROPA PRESS) –

Zwei unabhängige Forschungsteams haben mithilfe von Neuronen, die aus Rattenstammzellen kultiviert wurden, erfolgreich Maushirnschaltkreise bei Mäusen regeneriert. Beide in der Fachzeitschrift Cell veröffentlichten Studien bieten wertvolle Informationen über die Bildung von Hirngewebe und stellen neue Möglichkeiten zur Wiederherstellung krankheits- und altersbedingt verlorener Hirnfunktionen dar.

„Diese Forschung trägt dazu bei, die potenzielle Flexibilität des Gehirns aufzuzeigen, indem synthetische neuronale Schaltkreise zur Wiederherstellung der Gehirnfunktionen eingesetzt werden“, sagt Kristin Baldwin, Professorin an der Columbia University in New York (USA) und korrespondierende Autorin eines der beiden Artikel. Baldwins Team stellte die olfaktorischen neuronalen Schaltkreise der Maus, die miteinander verbundenen Neuronen im Gehirn, die für den Geruchssinn verantwortlich sind, und ihre Funktion mithilfe von Rattenstammzellen wieder her.

„Die Möglichkeit, Gehirngewebe von einer Spezies innerhalb einer anderen zu erzeugen, kann uns helfen, die Entwicklung und Evolution des Gehirns bei verschiedenen Spezies zu verstehen“, sagt Jun Wu, außerordentlicher Professor am Southwestern Medical Center der University of Texas in Dallas (USA). Autor des anderen Artikels. Wus Team entwickelte eine CRISPR-basierte Plattform, die spezifische Gene effizient identifizieren konnte, die die Entwicklung bestimmter Gewebe vorantreiben. Sie testeten die Plattform, indem sie ein Gen, das für die Entwicklung des Vorderhirns bei Mäusen notwendig ist, zum Schweigen brachten und dann das Gewebe mithilfe von Rattenstammzellen wiederherstellten.

Mäuse und Ratten sind zwei verschiedene Arten, die sich etwa 20 bis 30 Millionen Jahre lang unabhängig voneinander entwickelt haben. In früheren Experimenten konnten Wissenschaftler die Bauchspeicheldrüse bei Mäusen mithilfe von Rattenstammzellen durch einen Prozess namens Blastozystenkomplementierung ersetzen. Damit dieser Prozess funktioniert, injizieren Forscher Rattenstammzellen in Blastozysten (Embryonen im Frühstadium) von Mäusen, denen aufgrund genetischer Mutationen die Fähigkeit fehlt, eine Bauchspeicheldrüse zu entwickeln. Rattenstammzellen entwickelten sich dann zur fehlenden Bauchspeicheldrüse und ergänzten deren Funktion.

Bisher wurde jedoch nicht über die Erzeugung von Gehirngewebe aus Stammzellen einer anderen Spezies durch Komplementierung von Blastozysten berichtet. Nun testete Wus Team mithilfe von CRISPR sieben verschiedene Gene und stellte fest, dass durch die Löschung von Hesx1 zuverlässig Mäuse erzeugt werden konnten, die kein Vorderhirn hatten. Anschließend injizierte das Team Rattenstammzellen in Blastozysten von Hesx1-Knockout-Mäusen, und die Rattenzellen füllten die Nische, um bei Mäusen ein Vorderhirn zu bilden. Ratten haben größere Gehirne als Mäuse, aber das von Ratten stammende Vorderhirn entwickelte sich mit der gleichen Geschwindigkeit und Größe wie das von Mäusen. Darüber hinaus waren Rattenneuronen in der Lage, Signale an benachbarte Mausneuronen zu übertragen und umgekehrt.

Die Forscher testeten nicht, ob Stammzellen des Vorderhirns von Ratten das Verhalten der Mäuse veränderten. „Es fehlen gute Verhaltenstests, um Ratten von Mäusen zu unterscheiden“, sagt Wu. „Aber aus unserem Experiment geht hervor, dass sich diese Vorderhirnmäuse von Ratten nicht ungewöhnlich verhalten.“

In der anderen Studie verwendete Baldwins Team spezifische Gene, um olfaktorische sensorische Neuronen der Maus, die für den Geruchssinn verwendet werden, abzutöten oder zum Schweigen zu bringen, und injizierte Rattenstammzellen in die Mäuseembryonen. Das Stummschaltungsmodell ahmt das nach, was bei neurologischen Entwicklungsstörungen beobachtet wird, bei denen bestimmte Neuronen nicht gut mit dem Gehirn kommunizieren können. Das Zerstörungsmodell eliminierte Neuronen vollständig und simulierte degenerative Erkrankungen.

Sie fanden heraus, dass die Blastozystenkomplementierung die olfaktorischen neuronalen Schaltkreise der Maus je nach Modell unterschiedlich wiederherstellte. Wenn Mausneuronen vorhanden, aber still waren, trugen die Rattenneuronen dazu bei, im Vergleich zum Tötungsmodell besser organisierte Gehirnregionen zu bilden. Als das Team diese Ratten-Maus-Chimären jedoch testete, indem es sie darauf trainierte, einen versteckten Keks in einem Käfig zu finden, waren die Rattenneuronen besser darin, Verhaltensweisen im Tötungsmodell zu retten.

„Dieses wirklich überraschende Ergebnis ermöglicht es uns, die Unterschiede zwischen diesen beiden Krankheitsmodellen zu untersuchen und zu versuchen, Mechanismen zu identifizieren, die bei jeder Art von Gehirnerkrankung zur Wiederherstellung der Funktion beitragen könnten“, sagt Baldwin. Sein Team testete außerdem die Blastozysten-Komplementierung in Krankheitsmodellmäusen unter Verwendung von Zellen von Mäusen mit normalem Riechsystem. Sie zeigten, dass die Intraspezies-Komplementierung das Auffinden von Keksen in beiden Modellen rettete.

„Derzeit werden in klinischen Studien Stammzellen-Neuronen gegen Parkinson und Epilepsie in Menschen transplantiert. Wie gut wird das funktionieren? Und werden die unterschiedlichen genetischen Hintergründe zwischen dem Patienten und den transplantierten Zellen ein Hindernis darstellen?“ stellt ein System bereit, mit dem wir die Möglichkeiten der Gehirnkomplementierung derselben Spezies in einem viel größeren Maßstab als bei einer klinischen Studie bewerten können“, sagt Baldwin.

Von einer klinischen Anwendung beim Menschen ist die Blastozysten-Komplementierung noch weit entfernt, aber beide Studien deuten darauf hin, dass Stammzellen verschiedener Spezies ihre Entwicklung mit dem Gehirn des Wirts synchronisieren können.

Wissenschaftler haben auch mit dem Wachstum menschlicher Organe bei anderen Arten, beispielsweise Schweinen, experimentiert und dabei Blastozystenkomplementierung eingesetzt. Letztes Jahr erzeugten Wissenschaftler embryonale Nieren aus menschlichen Stammzellen von Schweinen und boten damit eine potenzielle Lösung für viele Menschen auf Wartelisten für Transplantationen.

„Unser Ziel ist es, Schweineorgane mit einem bestimmten Prozentsatz menschlicher Zellen anzureichern, um die Ergebnisse für Organempfänger zu verbessern. Derzeit müssen wir jedoch noch viele technische und ethische Herausforderungen bewältigen, bevor wir dies in klinischen Studien testen können.“ sagt Wu.

Neben den Implikationen der Studien in der Medizin sind die Teams auch daran interessiert, mit diesem Ansatz die Gehirne vieler wildlebender Nagetiere zu untersuchen, die im Labor nicht zugänglich waren.