Fortschritte bei Gehirnorganoiden: Lebendzellüberwachung und beschleunigte Alterung im Weltraum
Forscher haben einen integrierten Arbeitsablauf aus Lebendzellmikroskopie und Durchflusszytometrie entwickelt, um die Differenzierung von Gehirnorganoiden zu überwachen. Unabhängig davon zeigen Experimente auf der Internationalen Raumstation, dass Mikrogravitation die Alterung von Organoiden in 30 Tagen um etwa ein Jahrzehnt beschleunigt und damit ein schnelleres Modell für neurodegenerative Erkrankungen bietet. Diese Fortschritte könnten die Wirkstoffforschung und die neurowissenschaftliche Forschung verbessern.
Gehirnorganoide – aus Stammzellen gezüchtete dreidimensionale Modelle der menschlichen Gehirnentwicklung – machen auf zwei Fronten Fortschritte: Forscher haben einen integrierten Arbeitsablauf entwickelt, der Lebendzellmikroskopie und Hochdurchsatz-Durchflusszytometrie kombiniert, um die Differenzierung von Organoiden zu überwachen, während Experimente an Bord der Internationalen Raumstation gezeigt haben, dass Mikrogravitation die molekulare Alterung dieser Organoide um etwa ein Jahrzehnt in nur 30 Tagen beschleunigt.
Im Jahr 2019 kehrten Gehirnorganoide nach 30 Tagen im Orbit von der ISS zurück. Der Neurowissenschaftler Alysson Muotri von der UC San Diego stellte fest, dass die molekularen Uhren in den Neuronen der Organoide um etwa zehn Jahre fortgeschritten waren, was auf eine beschleunigte Seneszenz hindeutet. „Das war der Aha-Moment“, sagte Muotri. „Hier findet Seneszenz in beschleunigter Zeit statt.“ Dies deutet darauf hin, dass Weltraumflüge molekulare Prozesse beschleunigen könnten, die mit neurodegenerativen Erkrankungen wie Alzheimer, Parkinson und ALS verbunden sind. Da Neuronen auf der Erde im Laufe eines Lebens langsam Schäden ansammeln, könnten Gehirnorganoide im Weltraum als schnellere Modelle dienen, die es Forschern ermöglichen, krankheitsrelevante Signale früher zu beobachten und Interventionen schneller zu testen.
Gehirnorganoide werden aus induzierten pluripotenten Stammzellen (iPSCs) aus Haut oder Blut eines Patienten gewonnen. Sie organisieren sich selbst zu dreidimensionalen Strukturen, die Regionen des menschlichen Gehirns nachahmen und die Genetik des Spenders tragen. Obwohl ihnen die volle Komplexität eines menschlichen Gehirns fehlt – kein Gefäßsystem, keine sensorischen Eingaben – bieten sie ein humanrelevantes Modell, das Tierstudien oft nicht replizieren können.
Um die Herausforderung der Standardisierung und Skalierung der Organoidentwicklung zu bewältigen, haben Forscher einen Multiplattform-Ansatz entwickelt, der Lebendzellmikroskopie mit automatischer Bildanalyse und Durchflusszytometrie integriert. Der Arbeitsablauf erfasst dynamische Veränderungen der Morphologie und Markerexpression während der Differenzierung zerebraler Organoide und ermöglicht so ein longitudinales phänotypisches Monitoring in Kombination mit einer zellulären Analyse mit hohem Informationsgehalt. Ziel ist es, zuverlässige, reproduzierbare und verwertbare Daten zu generieren, die die neurowissenschaftliche Forschung, Toxizitätstests und die Arzneimittelentwicklung der nächsten Generation unterstützen.
Das ISS National Laboratory hat sich zu einem Zentrum für neurowissenschaftliche Forschung entwickelt, wobei mehrere Teams ähnliche Muster beschleunigter Alterung in verschiedenen Versuchsaufbauten beobachten. Die Kombination aus präziser terrestrischer Überwachung und weltraumbasierter Beschleunigung könnte helfen, neue Erkenntnisse über Gehirnentwicklung und Krankheiten zu gewinnen.