Wenn sich Mäuse jemals gefragt haben, wie es ist, die Welt als Ratte zu erleben, können einige diesen Traum jetzt leben. Zwei unabhängige Forschungsteams haben erfolgreich Gehirnschaltkreise bei Mäusen regeneriert, indem sie Neuronen verwendeten, die aus Stammzellen eines anderen Tieres, einer Ratte, gezüchtet wurden. Beide in der Fachzeitschrift „Cell“ veröffentlichten Studien, in denen Chimären erzeugt wurden –Organismus, der durch die Kombination von zwei oder mehr verschiedenen Genomen verschiedener Arten entsteht-, liefern wertvolle Informationen darüber, wie Gehirngewebe gebildet wird, und bieten neue Möglichkeiten zur Wiederherstellung von Gehirnfunktionen, die aufgrund von Krankheiten und Alterung, wie beispielsweise der Parkinson-Krankheit, verloren gegangen sind.
Es ist das erste Mal, dass ein Tier in der Lage ist, die Sinnesapparate eines anderen zu nutzen, um die Welt präzise wahrzunehmen und darauf zu reagieren. Dies ist ein Hinweis darauf, wie flexibel das Gehirn bei der Integration externer Gehirnzellen sein kann. „Diese Forschung trägt dazu bei, die potenzielle Flexibilität des Gehirns durch den Einsatz synthetischer neuronaler Schaltkreise zur Wiederherstellung der Gehirnfunktionen aufzuzeigen“, sagt Kristin Baldwin, Professorin an der Columbia University in New York (USA) und Autorin einer der beiden Arbeiten.
Baldwins Team stellte das wieder her Riechneuronale Schaltkreise der Mausdie miteinander verbundenen Neuronen im Gehirn, die für den Geruchssinn verantwortlich sind, und ihre Funktion mithilfe von Rattenstammzellen.
Eine der größten Herausforderungen beim Verständnis und der Behandlung menschlicher Gehirnerkrankungen besteht darin, dass es mit aktuellen Forschungsmethoden unmöglich ist, diese Störungen vollständig zu verstehen.
„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 und Autor des anderen Artikels.
Hybridgehirne werden es Forschern ermöglichen, besser zu verstehen, wie Gehirnzellen erkranken oder sterben, und die Regeln für die Reparatur und den Ersatz von Teilen des Gehirns besser zu verstehen.
Wus Team entwickelte eine Plattform, die darauf basiert CRISPR Dadurch könnten spezifische Gene effizient identifiziert werden, 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.
Rüdiger Behr vom Leibniz-Institut für Primatenforschung (Deutschland) erklärt gegenüber Science Media Center, dass Chimären „Organismen sind, die aus Zellen bestehen, die aus zwei verschiedenen Befruchtungsprozessen (Embryonen) stammen.“ Es muss zwischen intra- und interspezifischen Chimären unterschieden werden. In intraspezifischen Zellen gehören chimäre Zellen beide derselben Art an. In diesen neuen Studien werden auch Chimären hergestellt interspezifisch zwischen Maus und Ratte. In diesem Fall stammen die Zellen, aus denen ein Organismus besteht, von zwei verschiedenen Spezies. Interspezifische Chimären sind aus entwicklungs- und evolutionsbiologischer Sicht von besonderem Interesse. Aber auch für die Humanmedizin können Interspezies sehr wertvolle Erkenntnisse zur Herstellung transplantierbarer Organe liefern. „Angesichts des jahrzehntelangen Mangels an Spenderorganen für Transplantationen bei Patienten ist dies ein vorrangiges Forschungsziel.“
Chimären und Hybriden
Behr fügt hinzu, dass Chimären klar abgegrenzt werden müssen Hybriden. Im Gegensatz zu Chimären entwickeln sich „Hybriden“ aus einer einzigen befruchteten Eizelle. Bei Hybriden stammen das männliche Sperma und die weibliche Eizelle jedoch von zwei verschiedenen (aber eng verwandten) Arten. Beispielsweise kann das Sperma eines Esels die Eizelle eines Pferdes erfolgreich befruchten. Der resultierende Embryo entwickelt sich zu einem Maultier. Bei einem Hybrid sind alle einzelnen Zellen des Organismus selbst bereits eine „Mischung“ der beiden Elternarten. „Bei einer interspezifischen Chimäre hingegen ist jede einzelne Zelle eindeutig einer Art zugeordnet.“
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 Ersetzen Sie die Bauchspeicheldrüse bei Mäusen durch Rattenstammzellen durch einen Prozess namens Blastozystenkomplementierung.
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 nicht über die Erzeugung von Gehirngewebe unter Verwendung von Stammzellen einer anderen Spezies berichtet.
Bisher wurde jedoch nicht über die Erzeugung von Gehirngewebe aus Stammzellen einer anderen Spezies durch Blastozystenkomplementierung berichtet.
Mithilfe von CRISPR testete Wus Team nun sieben verschiedene Gene und stellte fest, dass diese entfernt wurden Hesx1 konnte zuverlässig Mäuse erzeugen, die kein Vorderhirn hatten. Als nächstes injizierte das Team Rattenstammzellen in Blastozysten von Mäusen. ausschlagen – Tiere mit einem oder mehreren inaktivierten oder gelöschten Genen – für Hesx1, und 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.
Nun testeten die Forscher nicht, ob das Vorderhirn der Rattenstammzellen das Verhalten der Mäuse veränderte. «Es fehlen Verhaltenstests zur Unterscheidung von Ratten und Mäusen -Wu erkennt an-. „Aber aus unserem Experiment geht hervor, dass sich diese Vorderhirnmäuse von Ratten nicht ungewöhnlich verhalten.“
Gen zum Schweigen gebracht
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. wo bestimmte Neuronen nicht gut mit dem Gehirn kommunizieren könnenwährend das Zerstörungsmodell Neuronen vollständig eliminierte und degenerative Krankheiten simulierte.
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, besser organisierte Gehirnregionen zu bilden als das Modell, in dem die Neuronen entfernt worden waren. 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 bei der Rettung von Verhaltensweisen im zweiten Modell besser.
Das Silencing-Modell ahmt das nach, was bei neurologischen Entwicklungsstörungen beobachtet wird
„Dieses Ergebnis wirklich toll „Es ermöglicht uns, die Unterschiede zwischen diesen beiden Krankheitsmodellen zu beobachten 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.
Aus Stammzellen gewonnene Neuronen gegen Parkinson und Epilepsie werden derzeit in klinischen Studien in Menschen transplantiert. Baldwin betont, dass „diese Studie ein System bietet, mit dem wir die Möglichkeiten der Gehirnkomplementierung derselben Spezies in einem viel größeren Maßstab als bei einer klinischen Studie bewerten können.“
Eine klinische Anwendung der Blastozysten-Komplementierung beim Menschen ist zwar noch lange nicht möglich, 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 Nieren aus menschlichen Stammzellen von Schweinen und boten damit eine potenzielle Lösung für viele Menschen auf Transplantationswartelisten.
„Unser Ziel ist es, Schweineorgane mit einem bestimmten Prozentsatz menschlicher Zellen anzureichern, um die Ergebnisse für Organempfänger zu verbessern.“ Doch derzeit müssen wir noch viele technische und ethische Herausforderungen bewältigen, bevor wir dies in klinischen Studien testen können“, sagt Wu.
Wenn die Entwicklung von in Hybridgehirne eingefügten Zellen eingeschränkt werden kann, könnte dies auch die Tür zur Schaffung von Hybridgehirnen mit Primatenneuronen öffnen. „Das würde uns helfen, menschliche Krankheiten noch besser zu verstehen“, sagt Baldwin.
Für Behr, der davon überzeugt ist, dass die Chimärenforschung dabei hilft, Wissen zu generieren, um Zell- und Gewebeersatztherapien schneller für Patienten verfügbar zu machen, ist es nicht so klar, aber dass „der hier vorgestellte Ansatz kein Ansatz ist, der sich direkt als Therapie auf den Menschen übertragen lässt.“ . „Die hier vorgestellte Arbeit ist sehr wertvoll für ein besseres Verständnis der embryonalen Entwicklung von Gehirnen, ihrer evolutionären Anpassungen und ihrer Funktionsweise.“
Bioethisches Dilemma
Und vergessen Sie nicht das Aussehen Bioethik «Spätestens dann notwendig, wenn menschliche Embryonen als Empfänger in der Chimärenforschung eingesetzt werden. Ich persönlich würde die Verwendung menschlicher Embryonen in der interspezifischen Chimärenforschung strikt ablehnen, selbst wenn dies in Deutschland erlaubt wäre. Aber auch wenn menschliche Stammzellen in tierische Embryonen transplantiert werden, was aus biomedizinischer Sicht sinnvoll sein kann, sollte ein biomedizinisch-bioethischer Diskurs stattfinden.
Ähnlich sieht es Stefan Schlatt, Direktor des Zentrums für Reproduktionsmedizin und Andrologie am Universitätsklinikum Münster. „Während die Komplementierung von Blastozysten ein sehr interessantes Feld für die Grundlagenforschung eröffnet, ist die Herstellung von Organersatz für klinische Anwendungen kein realistisches Szenario. Es scheint noch zu wenig Wissen über art- und organspezifische Wirkungen zu geben, um Risiken abschätzen zu können. „Wie beim Klonen sollte es hier ein international anerkanntes Moratorium geben.“
Abschließend stellt Behr fest: Die moderne Chimärenforschung steckt noch in den Kinderschuhen. „Die beiden jetzt veröffentlichten Studien liefern noch keinen translationalen Ansatz für neue Therapieansätze.“ „Sie tragen jedoch wesentlich zu wissenschaftlichen Erkenntnissen bei, auf denen neue Langzeittherapien aufgebaut werden können.“
