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Stammzellenforschung Neues Mini-Gehirn weckt Frankenstein-Fantasien

Ein Wiener Forscher hat aus neuronalen Stammzellen dreidimensionale Strukturen von Gehirnzellen erzeugt. Diese "Mini-Gehirne" können einen großen Beitrag zur Erforschung von Krankheiten leisten und bei der Entwicklung von Medikamenten helfen.

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Eine Forschergruppe um den deutschen Biochemiker Jürgen Knoblich hat am Institut für molekulare Biotechnologie in Wien menschliche

Sie sind zwar nur vier Millimeter groß, aber ihre Existenz belegt, dass die Stammzellforschung die Medizin revolutionieren kann. Eine Forschergruppe um den deutschen Biochemiker Jürgen Knoblich hat am Institut für molekulare Biotechnologie in Wien menschliche "Mini-Gehirne" erzeugt - treffender beschrieben als eine dreidimensionale Struktur von Gehirnzellen, die sich in einigen Punkten wie ein menschliches Gehirn verhalten. Sie verwendeten dazu zwei verschiedene Quellen: menschliche embryonale Stammzellen und Hautzellen eines Patienten mit einem angeborenen schweren Hirnschaden (Mikrozephalie). Beide Ausgangsmaterialien wuchsen binnen zwei Monaten zu den Mini-Gehirnen heran, deren Komplexität in etwa mit der Gehirnstruktur im Embryo der neunten Schwangerschaftswoche verglichen werden kann. Die Zellstrukturen sind bereits zehn Monate alt und noch immer intakt, berichten die Wiener Forscher in der Wissenschaftszeitung "Nature" - allerdings wachsen sie nicht weiter.

Die Geschichte der Genetik
Bereits Wissenschaftler der Antike interessierten sich für Fragen der Vererbung. Etwa 500 vor Christus erklärte der griechische Philosoph Anaxagoras, dass der Embryo im männlichen Spermium bereits vorgeformt sei. Dass nur der Mann Erbanlagen besitze, behauptete auch Aristoteles etwa 100 Jahre später. Ähnliche Vorstellungen hielten sich noch bis in die Neuzeit hinein, da es an Instrumenten und Technik fehlte, um tiefer in die Forschung eintauchen zu können. Quelle: Gemeinfrei
Den Grundstein zur sogenannten modernen Vererbungslehre legte Gregor Johann Mendel. Der Augustinermönch schrieb 1865 die sogenannten Mendelschen Regeln nieder. Sie erfassen bis heute die Prinzipien für die Vererbung körperlicher Merkmale. In seiner Forschung experimentierte Mendel mit Erbsen, und zwar mit sieben unterschiedlichen Merkmalen reinrassiger Erbsenlinien, und fasste die Ergebnisse seiner Kreuzungsversuche zu drei Grundregeln zusammen. Quelle: Gemeinfrei
1869 wurden in Fischspermien erstmals Nukleinsäuren, die Bausteine der DNA (Desoxyribonukleinsäure), entdeckt. Den Zusammenhang zur Struktur der Erbsubstanz konnten Wissenschaftler bis dahin jedoch nicht herstellen. Erst 19 Jahre später entdeckte Wilhelm von Waldeyer (im Bild) die Chromosomen in menschlichen Zellen. Quelle: Gemeinfrei
1890 wies dann der deutsche Biologe Theodor Boveri nach, dass die Chromosomen Träger der Erbinformation sind.  Quelle: Gemeinfrei
William Bateson war es, der 1906 den Begriff "Genetik" für die Vererbungsgesetze einführte. Quelle: Gemeinfrei
Bereits 1903 vermutete der amerikanische Biologe Walter S. Sutton, dass paarweise auftretende Chromosomen Träger des Erbmaterials sind. Dieser Ansatz wurde ab 1907 von Thomas Morgan an der Drosophila melanogaster (eine Taufliegenart) verfolgt und ausgebaut. Morgan gelang es, Gene als Träger der geschlechtsgebundenen Erbanlagen an bestimmten Stellen der Taufliegen-Chromosomen zu lokalisieren. Für diese Leistung erhielt er 1933 den Nobelpreis für Medizin. Quelle: dpa
James Watson (im Bild) entdeckte gemeinsam mit seinem Kollegen Francis Crick 1953 die Doppelhelixstruktur der DNA. Sie stellten fest, dass das DNA-Molekül ein dreidimensionaler, spiralförmiger Doppelstrang ist, in dessen Innenraum sich die vier Basen immer paarweise zusammenschließen. Das Besondere an dieser Struktur sei, so die beiden Forscher, dass sie sich selbst kopieren könne. Damit hatten Watson und Crick auch den Mechanismus der Vererbung erklärt. Dafür erhielten auch sie den Nobelpreis. Quelle: dpa

Diese Forschung erweckt Frankenstein-Fantasien und stellt zudem die Frage, ob das menschliche Bewusstsein quasi als Gehirn aus der Retorte entstehen kann. Die Österreicher sind von diesen Ansätzen weit entfernt. Schon deshalb, weil ihre Zellen keine Blutgefäße entwickeln können und somit lediglich über die äußere Schicht mit Nährstoffen versorgt werden.  Im Inneren der Mini-Gehirns gibt es vermutlich eine Art "tote Zone".

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    Aber Untersuchungen zeigten, dass die Mini-Gehirne wie das echte Gehirn in voneinander abgrenzbare Bereiche unterteilt waren mit Anteilen des Großhirns, des Hippocampus, der Hirnhäute, Ventrikel und Netzhautgewebe. Ganz ähnlich wie bei der natürlichen Entwicklung der menschlichen Großhirnrinde bildeten sich zum Beispiel auch Nervenzellen und Gliazellen. Und das Besondere, das diese Forschungsarbeit so einzigartig macht: Einzelne, räumlich voneinander entfernt liegende Bereiche stehen miteinander in Verbindung - die Miniaturabbildung eines Netzwerks, wie es für unser Gehirn typisch ist. Die Struktur unterscheide sich aber vom echten Vorbild, schreibt Jürgen Knoblich, denn bei einem intakten Embryo bekomme das Gehirn während seiner Entwicklung zusätzlich noch Wachstumssignale von den anderen Körperteilen. Die Rekonstruktion sei viel besser als bei allen bisherigen In-vitro-Verfahren, schreiben die Forscher in "Nature".

    Es sieht so aus, als ob die Stammzellen in den rotierenden Bio-Reaktoren in Wien einen ähnlichen Weg gehen wie bei der Entwicklung des Embryos. Tatsächlich, bestätigt auch Jürgen Knoblich, dass es eine der wichtigen Vorgaben seines Verfahrens war, die Zellen quasi in Ruhe reifen zu lassen. Er gab ihnen eine Umgebung, in der sie sich optimal entwickeln konnte: Der Umzug in einen rotierenden Reaktor nach einer Art Startreaktion auf einem Gel erleichterte den Aufbau dreidimensionaler Strukturen: diese Selbstorganisation der Zellen endete allerdings etwa auf Erbsengröße.

    Modelle für Krankheiten

    Spannende Entdeckungen
    Higgs-Boson entdecktAuch wenn Physiker den Begriff "Gottesteilchen" nicht gerne hören, das Elementarteilchen Higgs-Boson ist von derart fundamentaler Bedeutung für die Physik, dass sich der Spitzname letztlich durchgesetzt hat. Der Nachweis dieses lange vorhergesagten Grundbausteins im Standardmodell der Teilchenphysik gelang Wissenschaftlern des europäischen Kernforschungszentrums CERN. Die Redaktion von "Science" sieht in dieser Entdeckung den wichtigsten Forschungsdurchbruch des Jahres 2012 - auch wenn die beteiligten Forscher noch nicht hundertprozentig sicher sind, dass ihr Fund tatsächlich das lang gesuchte Gottesteilchen ist. Mehr zur Entdeckung des Higgs-Bosons finden Sie hier. Quelle: dpa
    Genom des Denisova-Menschen entschlüsseltViel ist es nicht, was Wissenschaftler bislang vom Denisova-Menschen gefunden haben, der nach dieser Höhle in Sibirien benannt wurde: Ein Stück Finger, ein Stück Zeh, ein Backenzahn - mehr ist von dieser vor 40.000 Jahren lebenden Urmenschen-Spezies bislang nicht entdeckt worden. Immerhin genug Material, um Forschern des Max-Planck-Instituts für evolutionäre Anthropologie in Leipzig eine umfassende Erbgutanalyse zu ermöglichen. Sie belegt, dass sich die Entwicklungslinien von Denisova- und modernem Menschen vor spätestens 780.000 Jahren getrennt haben müssen - viel früher als etwa beim Neandertaler, dessen Entwicklungslinie sich spätestens vor 320.000 Jahren von der unseren abspaltete. Mehr zum Denisova-Menschen finden Sie hier. Quelle: Presse
    Fruchtbare Eizellen aus Stammzellen gewonnenDieser Schnappschuss einer Maus mit Nachwuchs markiert ein weiteres Forschungs-Highlight 2012. Japanischen Wissenschaftlern ist es gelungen, bestimmte Gene in Mäuse-Stammzellen so zu aktivieren, dass sie sich zu Vorstufen von Eizellen verwandelten. Mäuse, denen diese künstlichen Geschlechtszellen eingepflanzt wurden, brachten gesunden Nachwuchs zur Welt. Mehr zu dieser Entdeckung finden Sie hier. Quelle: dpa
    Der "Himmelskran" des Marsrovers CuriosityDank der gut geölten PR-Maschine der US-Weltraumbehörde Nasa ist die Mission des Marsrovers Curiosity weit über die Grenzen der Wissenschaft hinaus bekannt geworden. Auch den "Science"-Redakteuren war die erfolgreiche Landung auf dem Roten Planeten eine Auszeichnung wert: Sie kürten Curiositys Landeshilfe, den "SkyCrane" zu einem Forschungs-Highlight 2012. An den Seilen dieses Himmelskrans wurde Curiosity in der letzten Phase der Landung langsam auf den Marsboden niedergelassen. Die aufwendige Technik war nötig, weil der Rover zu schwer gewesen wäre, um einen Aufprall mit dem sonst üblichen Schutz durch Airbags heil zu überstehen. Mehr über die Mission Curiosity finden Sie hier. Quelle: dpa
    Röntgenlaser liefert Waffe gegen die Schlafkrankheit60 Millionen Menschen sind - vor allem im südlichen Afrika - von der gefährlichen Schlafkrankheit bedroht. Ein Protein des Erregers Trypanosoma brucei könnte als Waffe zu einer erfolgreichen Bekämpfung der Krankheit dienen. Doch dazu musste zunächst die molekulare Struktur des Proteins mit hoher Genauigkeit entschlüsselt werden. Mit dem stärksten Röntgenlaser der Welt am US-Forschungszentrum SLAC in Kalifornien ist deutschen Forschern dies gelungen. Quelle: Presse
    Gene leichter abschaltenUm zu untersuchen, wie unser Erbgut funktioniert, nutzen Wissenschaftler Techniken, mit denen sich einzelne Gene gezielt abschalten lassen. Ein neues und deutlich einfacheres Verfahren für diesen "Gen-Knockout" haben Bonner Forscher entwickelt. TALENS (Transcription activator-like effector nucleases) heißt die Technik, die von der Science-Redaktion als ein Forschungs-Highlight 2012 gewürdigt wurde. Quelle: Presse
    Majorana-Fermion nachgewiesenNein, mit der bekannten Gewürzpflanze hat das Majorana-Fermion nichts zu tun. Seinen Namen verdankt dieses Elementarteilchen dem italienischen Physiker Ettore Majorana (1906-1938), der seine Existenz schon 1937 voraussagte. Doch erst 2012 veröffentlichten niederländische Wissenschaftler eine Untersuchung, welche die Existenz des Majorana-Fermions - dem eine Schlüsselrolle bei der Entwicklung von Quantencomputern zukommen könnte - definitiv bestätigte. Quelle: Presse

    Stammzellforscher haben in den vergangenen Jahren sehr viele Verfahren beschrieben und die Alleskönner in fast alle Zelltypen des menschlichen Körpers verwandelt. Das gelingt mittlerweile auch den Einsatz von embryonalen Stammzellen: mit Hautzellen, die dabei umprogrammiert werden und so neue Funktionen übernehmen können. Diese Zellkulturen, beispielsweise im Takt schlagende Herzzellen, sollen irgendwann einmal bei der Therapie von Krankheiten abgestorbenes Gewebe ersetzen. Die Erfüllung eines Traum gleich ganze Organe im Labor zu erzeugen, halten die Forscher allerdings kaum für möglich. Das gilt erst recht für das Gehirn.

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      Auch der Ansatz, den der in Tübingen, London und San Francisco ausgebildete Jürgen Knoblich für seine Forschung wählte, verdeutlicht den Weg, den die Stammzellforschung in jüngster Zeit eingeschlagen hat. Sie versucht Modelle für Krankheiten zu entwickeln. Die Forscher wollen jetzt die Mini-Gehirne, die aus den gesunden Zellen entstanden sind, mit den Strukturen aus den Zellen des Mikrozephalie-Patienten vergleichen. Patienten mit dieser Fehlentwicklung des Gehirns haben einen außergewöhnlich kleinen Kopf und ein kleines Hirn. Sie sind in der Regel geistig behindert.

      Vielleicht lassen sich auf diesem Wege neue Medikamente finden - oder zumindest eine Erklärung, wie diese Krankheit entsteht. Tierversuche sind dafür nur sehr begrenzt geeignet, weil Maus und Mensch in vielen Dingen zu verschieden sind. „In Zukunft möchten wir auch andere Krankheiten, die mit entwicklungsbiologischen Störungen des Gehirns in Zusammenhang stehen könnten - etwa Autismus oder Schizophrenie - in der Kultur nachbauen und erforschen“, sagt Studienleiter Knoblich.

      Forschung



      Noch attraktiver - und von der Pharma-Industrie sehnsüchtig erwartet - sind die Zellen als Kontrollmedium für schädliche Nebenwirkungen von Medikamenten. Besonders Herz und Gehirn reagieren häufig ungewollt auf Arzneimittel, viele Substanzen mussten selbst nach der Markteinführung zurückgerufen werden.

      Bei der Entwicklung von Medikamenten könnten durch Tests mit echten menschlichen Zellen einige Millionen Euro gespart werden; eine Aufgabe, der sich viele Stammzellforscher widmen. Während Modellsysteme für Herzzellen schon weiter fortgeschritten sind, fehlten diese Testmöglichkeiten für Gehirnzellen bisher noch.

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