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In diesem Projekt wird ein tiefreies Organoid-Modell der neuro-vaskulären Nische entwickelt, die essenziell für das Überleben von Stammzellen ist. Dieses Modell erlaubt es, die Hirnentwicklung sowie Hirn-Traumata und ihre Behandlung zu modellieren.

In den Jahren 2019-2023 wurden international über 915.000 Nagetiere für Studien zu Hirntraumata und -entwicklung eingesetzt, wobei allein in Deutschland im Jahr 2021 770 Tierversuchsvorhaben unter dem Schlagwort „Neuro“ genehmigt wurden. Diese hohe Zahl an Tierversuchen, insbesondere mit Nagern, wirft nicht nur ethische Fragen auf, sondern ist auch aufgrund der signifikanten Unterschiede zwischen Nager- und menschlichen Gehirnen in Bezug auf Komplexität und physiologische Eigenschaften wissenschaftlich umstritten. Vor diesem Hintergrund zielt das vorgestellte Projekt darauf ab, ein langlebiges, menschliches Modellsystem zu entwickeln, das die neuro-vaskuläre Nische durch die Integration von Endothelvorläuferzellen in neuartige neurale Organoidsysteme nachbildet. Diese Organoidsysteme basieren auf humanen Stammzellen und sollen ein besseres Verständnis der Hirnentwicklung sowie der Mechanismen von Hirn-Traumata und deren Behandlung ermöglichen, ohne auf Tierversuche angewiesen zu sein.

Die neuro-vaskuläre Nische spielt eine entscheidende Rolle für das Überleben und die Selbstregeneration von Stammzellen im Gehirn. In bisherigen Organoidmodellen konnte diese Nische jedoch nur unzureichend dargestellt werden, was die Lebensdauer und Funktionalität der Organoide einschränkte. Durch die gezielte Integration von Endothelzellen in das Organoidgewebe soll eine Umgebung geschaffen werden, die das langfristige Überleben der Stammzellen und somit der Organoide gewährleistet. Dieser Ansatz verspricht, die Grenzen aktueller Modelle zu überwinden und ein System zu bieten, das die komplexe Interaktion zwischen neuronalen Stammzellen und Gefäßzellen im menschlichen Gehirn realitätsnah abbildet.

Die Forschungsarbeiten des Projekts umfassen die Entwicklung eines modifizierten Lancaster-Modells für neurale Organoidsysteme, in denen Endothelvorläuferzellen bereits in der Entstehungsphase integriert werden. Diese Integration ermöglicht die Bildung von gefäßähnlichen Strukturen und die Nachbildung der neuro-vaskulären Nische, was in Vorversuchen bereits zu einem deutlich verlängerten Überleben der Organoide führte. Durch die Zugabe spezifischer extrazellulärer Substanzen soll die Ausbildung dieser Nische weiter gefördert und optimiert werden.

Abb. 1: Integration von Endothelzellen in das neuartige, neuronale Organoidsystem zur Bildung neuro-vaskulärer Nischen.
A, B: Detailvergrößerungen eines 28 Tage alten Organoids in welches am Tag 14 Endothelzellen integriert wurden. Zwei Wochen nach der Integration haben sich gefäß-ähnliche Strukturen im neuronalen Gewebe gebildet (weiße Pfeile). C, D: Die Übersichtsaufnahmen zeigen, dass diese Strukturen auch über die weitere Kulturdauer bestehen, nach 4 Wochen(C) und nach 6 Wochen (D).

 

 

Das Projekt verortet sich sowohl in der Grundlagenforschung als auch in anwendungsorientierten Bereichen wie der Wirkstoffentwicklung und der regenerativen Medizin. Es bietet das Potenzial, das Verständnis der Hirnentwicklung und der Mechanismen hinter Hirn-Traumata zu vertiefen und neue Therapieansätze zu entwickeln. Langfristig könnte dieses Modellsystem dazu beitragen, die Abhängigkeit von Tierversuchen in der neurologischen Forschung signifikant zu reduzieren und personalisierte Therapieansätze zu ermöglichen, indem Organoide aus Patientenstammzellen generiert werden.

Zusammenfassend stellt das Projekt einen innovativen Ansatz dar, um die Limitationen bestehender Modelle zu überwinden und ein menschliches Organoidmodell zu schaffen, das die neuro-vaskuläre Nische und damit verbundene Prozesse im Gehirn realitätsgetreu nachbildet. Dies könnte einen bedeutenden Fortschritt in der Erforschung und Behandlung von Hirnerkrankungen sowie in der Reduktion von Tierversuchen darstellen.