Wissenschaftler haben mehr als 400 Arten von Nervenzellen aus Stammzellen gezüchtet

Nervenzellen sind nicht gleich Nervenzellen. Bei genauerer Betrachtung gehen neueste Schätzungen davon aus, dass es im menschlichen Gehirn mehrere hundert oder sogar tausend verschiedene Nervenzelltypen gibt. Diese unterscheiden sich in ihrer Funktion, der Anzahl und Länge ihrer Fortsätze und ihrer Vernetzung. Sie setzen unterschiedliche Neurotransmitter an Synapsen frei, und je nach Hirnareal – zum Beispiel Großhirnrinde oder Mittelhirn – sind unterschiedliche Zelltypen aktiv.

Als Wissenschaftler für Experimente Nervenzellen aus Stammzellen in Petrischalen züchteten, konnten sie diese Vielfalt nicht vollständig erfassen. Bis vor Kurzem hatten Forscher Methoden entwickelt, um lediglich einige Dutzend verschiedene Nervenzelltypen in vitro zu züchten. Dazu nutzten sie gentechnische Verfahren oder fügten Signalmoleküle hinzu, um bestimmte intrazelluläre Signalwege zu aktivieren. Doch die Vielfalt der Hunderten oder Tausenden verschiedener Nervenzelltypen im Körper war ihnen damit noch nie ansatzweise erfasst.

„Neuronen, die aus Stammzellen gewonnen werden, werden häufig zur Erforschung von Krankheiten eingesetzt. Doch bisher war den Forschern oft nicht klar, mit welchen Neuronentypen sie arbeiten“, sagt Barbara Treutlein, Professorin am Departement für Biosysteme der ETH Zürich in Basel.

Sie sagt jedoch, dass dies nicht der beste Ansatz für eine solche Arbeit sei.

„Wenn wir Zellmodelle zur Untersuchung von Krankheiten und Störungen wie Alzheimer, Parkinson und Depressionen entwickeln wollen, müssen wir den spezifischen Nervenzelltyp berücksichtigen, der an den pathologischen Prozessen beteiligt ist.“

Systematisches Screening als Schlüssel zum Erfolg

Treutlein und ihrem Team ist es inzwischen gelungen, über 400 verschiedene Nervenzelltypen zu produzieren und damit den Weg für eine präzisere neurologische Grundlagenforschung mithilfe von Zellkulturen zu ebnen.

Die ETH-Wissenschaftler erreichten dies, indem sie mit einer Kultur menschlicher induzierter pluripotenter Stammzellen arbeiteten, die aus Blutzellen gewonnen wurden. In diesen Zellen veränderten sie bestimmte neuronale Regulationsgene gentechnisch und behandelten die Zellen mit verschiedenen Morphogenen – einer speziellen Klasse von Signalmolekülen. Treutleins Team verfolgte einen systematischen Ansatz: Sieben Morphogene wurden in ihren Screening-Experimenten in unterschiedlichen Kombinationen und Konzentrationen eingesetzt. So entstanden schliesslich fast 200 verschiedene Versuchsbedingungen.

Morphogene

Morphogene sind Signalstoffe, die aus der Embryonalentwicklung bekannt sind. Sie sind im Embryo ungleichmäßig verteilt und bilden in unterschiedlichen Konzentrationen räumliche Gradienten. So bestimmen sie die Position von Zellen im Embryo – zum Beispiel, ob sich eine Zelle näher an der Körperachse befindet oder sich eher am Rücken, am Bauch, im Kopf- oder Rumpfbereich befindet. Morphogene bestimmen somit mit, welche Strukturen sich in verschiedenen Körperregionen ausbilden.

Mithilfe verschiedener Analyseverfahren konnten die Wissenschaftler zeigen, dass sie im Experiment über 400 verschiedene Nervenzelltypen gewinnen konnten. Sie untersuchten die RNA (und damit die genetische Aktivität) auf Zellebene sowie das Aussehen und die Funktion der Zellen, etwa welche Zellfortsätze sie besaßen und welche elektrischen Nervenimpulse sie aussendeten.

Anschließend verglichen die Forscher ihre Daten mit Informationen aus Datenbanken menschlicher Gehirnneuronen. So konnten sie die Arten der entstandenen Nervenzellen bestimmen, z. B. Zellen des peripheren Nervensystems oder Gehirnzellen, sowie den Bereich des Gehirns, aus dem sie stammten und wofür diese Zellen zuständig sind – etwa für die Wahrnehmung von Schmerz, Kälte, Bewegung usw.

In-vitro-Neuronen für die Wirkstoffsuche

Treutlein sagte, dass es noch weit davon entfernt sei, alle im Körper vorkommenden Nervenzelltypen im Reagenzglas produzieren zu können. Allerdings stünden den Forschern nun deutlich mehr unterschiedliche Zelltypen zur Verfügung als zuvor.

Mithilfe von im Reagenzglas gezüchteten Neuronen wollen sie Zellmodelle für die Erforschung schwerer neurologischer Erkrankungen wie Schizophrenie, Alzheimer, Parkinson, Epilepsie, Schlafstörungen und Multipler Sklerose entwickeln. Auch für die Pharmaforschung sind solche Zellmodelle von großem Interesse: Sie ermöglichen es, die Wirkung neuer Wirkstoffe in Zellkulturen tierversuchsfrei zu testen, mit dem Ziel, eines Tages Heilungsmöglichkeiten für diese Krankheiten zu finden.

Zukünftig könnten diese Zellen auch für die Zellersatztherapie eingesetzt werden, bei der erkrankte oder abgestorbene Nervenzellen im Gehirn durch neue menschliche Zellen ersetzt werden.

Doch bevor es soweit ist, gilt es ein Problem zu lösen: In ihren Experimenten erzeugten die Forscher oft eine Mischung verschiedener Nervenzelltypen. Sie arbeiten nun daran, die Methode so zu optimieren, dass unter jeder Versuchsbedingung nur ein bestimmter Zelltyp entsteht. Erste Ideen dazu gibt es bereits.