Wissenschaftler der University of Cambridge haben winzige, im Labor gezüchtete Gehirn- und Rückenmarkssysteme entwickelt, die nachahmen, wie Bewegungssignale durch das menschliche Nervensystem reisen. Mit diesem Modell entdeckte das Team, dass Nervenschäden, die einst als dauerhaft galten, unter bestimmten Bedingungen tatsächlich reversibel sein könnten.
Während sich der menschliche Körper vom Embryo zum Fötus und schließlich zum Säugling entwickelt, bilden Neuronen komplexe Kommunikationsnetzwerke zwischen Gehirn und Rückenmark. Diese Signale reisen durch Axone, die langen Nervenfasern, die es Neuronen ermöglichen, Nachrichten zu senden und Muskelbewegungen zu steuern. Im Laufe der Zeit verliert das zentrale Nervensystem jedoch weitgehend seine Fähigkeit, beschädigte Axone nachwachsen zu lassen. Infolgedessen werden Verletzungen des Gehirns oder Rückenmarks oft dauerhaft und führen zu schweren Behinderungen wie Lähmungen oder Bewegungsverlust. Dieser Verlust der Regenerationsfähigkeit wird auch mit neurologischen Erkrankungen wie Motoneuron-Krankheit und Multipler Sklerose in Verbindung gebracht.
Im Jahr 2021 entwickelten Dr. András Lakatos und seine Kollegen an der University of Cambridge miniaturisierte menschliche Gehirnmodelle aus Stammzellen von Patienten. Diese erbsengroßen „Gehirnorganoide“ ähnelten Teilen der Großhirnrinde und ermöglichten es den Forschern, molekulare Veränderungen im Zusammenhang mit der Motoneuron-Krankheit zu untersuchen und Wege zu finden, diese zu verhindern. In einer neuen Studie, die in Cell Reports veröffentlicht wurde, bauten die Forscher auf dieser Arbeit auf, indem sie eine Miniaturversion des verbundenen menschlichen Gehirn- und Rückenmarkssystems konstruierten. Da Gehirn und Rückenmark im Körper getrennte, aber verbundene Strukturen sind, hielt das Team die Organoide im Labor physisch getrennt. Dann beobachteten sie, wie Axone aus dem Hirngewebe die Lücke überbrückten und sich mit dem Rückenmarksgewebe verbanden. Der resultierende neuronale Schaltkreis war funktionsfähig genug, um Kontraktionen in winzigen Muskelzellclustern auszulösen.
Die Wissenschaftler hielten diese Miniatur-Systeme über ein Jahr lang im Labor am Leben. Sie entdeckten, dass bis etwa zum 150. Entwicklungstag, der ungefähr der Mitte der Schwangerschaft entspricht, beschädigte Axone noch nachwachsen konnten. Nach diesem Zeitpunkt zeigten die Neuronen einen starken Rückgang ihrer Regenerationsfähigkeit. George Gibbons vom Department of Clinical Neurosciences der University of Cambridge und Erstautor der Studie sagte: „Neuronen aus weniger reifen Organoiden ließen nach einer Verletzung lange Fasern nachwachsen, aber solche aus reiferen Organoiden zeigten einen starken Rückgang ihrer Fähigkeit nachzuwachsen. Mit anderen Worten, eine schlechte Regeneration ist in menschliche Neuronen eingebaut, wenn sie im zentralen Nervensystem reifen.“
Das Team analysierte die Genaktivität in Neuronen, die Gehirn und Rückenmark verbinden. Ihre Arbeit offenbarte ein Netzwerk von Genen, das wie ein biologischer Schalter wirkt und das Axonwachstum begrenzt, wenn Neuronen reifen und Synapsen bilden. Bemerkenswerterweise gewannen die Neuronen, wenn die Forscher wichtige Regulatoren innerhalb dieses Netzwerks blockierten, die Fähigkeit zurück, Axone wachsen zu lassen. Die Forscher durchsuchten auch eine Datenbank mit Wirkstoffverbindungen, um Medikamente zu identifizieren, die dieses neu identifizierte Gen-Netzwerk beeinflussen. Ein vielversprechender Kandidat war Lynestrenol, ein Hormonpräparat, das derzeit für bestimmte Menstruationsstörungen und zur Empfängnisverhütung zugelassen ist. Als das Medikament an geschädigten Neuronen getestet wurde, verbesserte es das Axonwachstum signifikant.
Die Wissenschaftler merkten an, dass Narbengewebe und Entzündungen ebenfalls die Nervenreparatur nach einer Verletzung beeinträchtigen können. Das Verständnis der neuronspezifischen biologischen Mechanismen, die die Regeneration einschränken, bleibt jedoch von entscheidender Bedeutung. Frühere Beweise haben gezeigt, dass jüngere Neuronen durch Umgebungen wachsen können, die normalerweise die Reparatur an Verletzungsstellen blockieren. Seniorautor Dr. András Lakatos, der die Studie am Department of Clinical Neurosciences leitete, sagte: „Wenn das Gehirn und das Rückenmark geschädigt sind, wachsen die Nervenfasern, die Bewegungssignale vom Gehirn zum Rückenmark transportieren, selten nach. Deshalb sind Lähmungen in der Regel dauerhaft. Aber wir wussten nicht genau, wann die Fähigkeit der Axone zur Regeneration eingeschränkt wird. Unser Modell bietet eine gute Möglichkeit, dies zu untersuchen.“