Organoid und echtes Gehirn im Vergleich

Seit fast 15 Jahren entwickeln Forscher:innen dreidimensionale biologische Mikrostrukturen, sogenannte Organoide – von Herzmodellen über Darmmodelle bis zu Gehirnmodellen. Mit ihnen lassen sich bestimmte Fragestellungen zur Organentwicklung in einem isolierten System untersuchen. Die Hippenmeyer Gruppe am Institute of Science and Technology Austria (ISTA) präsentiert nun in Nature ihr erstes Organoid-Modell der Großhirnrinde der Maus – und liefert damit neue Erkenntnisse zu dessen Entwicklung in der Petri Schale sowie im lebenden Organismus.

Vor über einem Jahrzehnt begannen Wissenschafter:innen mit der Herstellung von unscheinbares Zellklümpchen, die die Erforschung der Organentwicklung neu definierten. Sie nannten sie „Organoide“: eine organähnliche Mikrostruktur, die aus Stammzellen hergestellt wird. Stammzellen sind Zellen, die zwei wichtige Eigenschaften aufweisen: Sie können sich einerseits selbst vermehren und anderseits teilen, um spezialisiertere Zellen wie Nervenzellen oder Muskelzellen zu bilden.

In Nature zeigt die Hippenmeyer Gruppe am ISTA – konkret die Co-Erstautor:innen Melissa Stouffer, Osvaldo Miranda Romero, Florian Pauler, Fabrizia Pipicelli gemeinsam mit Carmen Streicher und Giselle Cheung – ihr erstes Organoid-Modell der Großhirnrinde der Maus. Im Vergleich zum echten Mausgehirn entdeckten sie entscheidende Zeitfenster in der Entwicklung.

Von Stammzellen zu einem Gehirn in der richtigen Größe

„In unserem Labor untersuchen wir, wie sich das Gehirn aus Stammzellen entwickelt“, erklärt Hippenmeyer. “Also wie ein Gehirn die richtige Größe erreicht, wie die Stammzellen wissen, wann und zu welchen Neuronen sie sich entwickeln sollen, aber auch, was passiert, wenn etwas schiefgeht – etwa bei Mikro- oder Makrozephalie, einem ungewöhnlich kleinen oder großem Gehirn.“

Wie in unzähligen Laboren auf der ganzen Welt werden auch in der Hippenmeyer Gruppe die meisten Forschungsarbeiten an Mäusen durchgeführt. In der Maus untersucht das Team die Großhirnrinde – eine Hirnregion, die dicht mit Neuronen und Gliazellen besiedelt ist und für die Gehirnfunktion und die kognitiven Fähigkeiten von entscheidender Bedeutung ist.

„Vor gut acht Jahren begannen wir uns mehr mit Organoiden auseinanderzusetzen“, fährt er fort.

Zu dieser Zeit wurden die meisten Organoide aus menschlichen Stammzellen hergestellt – naheliegend, da sie menschliche Entwicklungsprozesse möglichst gut nachbilden sollen. Für genetische Experimente sind humane Stammzellen jedoch nur eingeschränkt geeignet: Im Vergleich zur Maus stehen weniger etablierte genetische Werkzeuge zur Verfügung.

Gemeinsam mit Melissa Stouffer, einer damaligen Postdoktorandin, machte sich die Hippenmeyer Gruppe auf, Organoide zu entwickeln, die zur genauen Untersuchung der Großhirnrinde und deren Entwicklung verwendet werden können.

Neue Expertise, neue Tools und neue Einblicke dank Einzelzell-Auflösung

Organoide sind eine komplexe Sache und erfordern Fingerspitzengefühl. Stouffer nahm deshalb am „Brain Organogenesis Workshop“ in Stanford teil und stürzte sich tief in die Materie.

„Das war ein Gamechanger“, erinnert sich Stouffer. „Dadurch konnte ich die Feinheiten der 3D-in-vitro-Techniken und die Schwierigkeiten bei der Arbeit mit Stammzellen besser einschätzen. Bevor ich konkrete Quantifizierungen an den Organoiden vornehmen konnte, musste ich zunächst sicherstellen, dass meine Stammzelllinien hochwertig genug waren und mein entwickeltes Protokoll über verschiedene Chargen und Zelllinien hinweg reproduzierbar war. Diese Vorarbeit war zeitaufwendig, bildete aber die Grundlage für alle nachfolgenden Schritte mit den Organoiden.“

Mit der gewonnenen Expertise und den richtigen Tools entwickelte die Hippenmeyer Gruppe schließlich eine stabile Maus-Stammzellenlinie. Mit dieser konnten sie schlussendlich stabile kortikale Organoide erstellen.  

Aber wie ähnlich sind diese dreidimensionalen Strukturen dem echten Mäusehirn wirklich?

Um zu verstehen, wie nahe ein Organoid am echten Gehirn ist, macht es Sinn, dass man sich beides bei der gleichen Spezies anschaut, also nicht Maus-Gehirn und menschlichen Organoid vergleicht, sondern beides im Mausmodell macht.

Die Forschenden verglichen bestimmte Entwicklungsphasen des Mäusehirns mit jenen der Organoiden. Mithilfe von Single-Cell-Sequenzierung untersuchten sie, welche Zelltypen in beiden Systemen vorkommen, wie häufig sie relativ gesehen auftreten und zu welchem Zeitpunkt sie entstehen bzw. wieder verschwinden.

„In diesen untersuchten Phasen der Entwicklung sehen wir im Mäusehirn und in unseren Organoiden sehr ähnliche Zellpopulationen“, erklärt Hippenmeyer. „Die molekularen Programme sind sehr ähnlich.“

Ähnliches Programm, aber anderer Takt

„Da wir nun über dieses präzise Organoid-System verfügten, konnten wir noch genauer untersuchen, was mit Stammzellen während der Entwicklung der kortikalen Strukturen geschieht – und diese Prozesse direkt mit unserem in-vivo-Modell, der Maus, vergleichen“, führt Hippenmeyer weiter aus.

Die MADM (Mosaic Analysis with Double Markers) Technik ist eine einzigartige genetische Methode, mit der sich die Teilung von Stammzellen während der Organogenese – jener Phase, in der sich die Organe aus den drei primären Keimblättern zu bilden beginnen – verfolgen lässt. Mit ihr konnte die Hippenmeyer Gruppe einen klaren Entwicklungsplan für das Mausgehirn auf der Ebene einzelner Vorläuferzellen erstellen.

In vivo folgt die Entwicklung einem zeitlich linearen Model: Anfangs vervielfältigen sich Stammzellen über symmetrische Teilung. Danach wechseln sie für kurze Zeit zur asymmetrischen Teilung um Neuronen zu produzieren. Erst nachdem alle Neuronen entstanden sind, treten Gliazellen auf. Die einzelnen Phasen laufen also nacheinander ab – nicht gleichzeitig.

Veränderungen dieses fein abgestimmten Entwicklungsprozesses, beispielsweise durch genetische Mutationen, können zu schweren Fehlbildungen des Gehirns wie Mikrozephalie oder Makrozephalie führen.

Auf der Makroebene sind die kortikale Organoide ähnlich genug, um Wissenschafter:innen Einblicke in allgemeine Aspekte der Entwicklung zu ermöglichen. Allerdings fehlt es den Stammzellen in kortikalen Organoiden an dem fein abgestimmten Ablauf der Entwicklungsstadien, wie er bei Mäusen zu beobachten ist. Zwar entstehen dieselben Zelltypen, doch ist der zeitliche Ablauf der neuronalen Entwicklung im Organoid nicht synchronisiert.

Mit anderen Worten: Den Hirnstammzellen im Organoid fehlt es am Zeitgefühl. Sie können zwar die Stunden, aber nicht die Minuten zählen. Eine Ausnahme ist die Bildung von Gliazellen: Dieser Prozess findet im Organoid ebenfalls erst nach der Bildung der Neuronen statt – genau wie im Mausgehirn.

Wichtig ist, dass die Erkenntnisse über diese spezifischen Ähnlichkeiten und Unterschiede zum in vivo-Zustand einen bedeutenden konzeptionellen Fortschritt für ein besseres Verständnis des mechanistischen Frameworks darstellen.

Die Forscher:innen vermuten, dass den Organoiden bestimmte Signale von außen fehlen. Die Mikrostrukturen entstehen in der Petrischale durch Selbstorganisation, also ohne viele externe Einflüsse, die im lebenden Organismus vorhanden sind.

„Bei unseren Organoiden dürfte das nicht perfekt funktionieren“, so Hippenmeyer. „Die physische Kraft der Selbstorganisation alleine reicht offenbar nicht aus. Es fehlen Faktoren, die es im in vivo System gibt, die sogenannte Stammzellnische.“ Bei der Stammzellnische handelt es sich um die spezielle Mikroumgebung, in der die Stammzellen leben und reguliert werden. Dazu gehören zum Beispiel benachbarte Zellen, Blutgefäße, Botenstoffe und Wachstumsfaktoren sowie mechanische Signale.

Was nun?

Die neue Publikation der Hippenmeyer Gruppe zeigt einerseits ein stabiles Protokoll zur Herstellung von kortikalen Organoiden aus Mauszellen. Anderseits werden die Entwicklungsprozesse hervorgehoben, die empfindlich auf Veränderungen der Stammzellnische oder deren Fehlen reagieren.

Für die Organoid-Forschung sind diese Erkenntnisse wichtig: Sie zeigen, wie ähnlich bestimmte Entwicklungsprozesse im Organoid und im Mäusehirn ablaufen – und bis zu welchem Zeitpunkt sich nach heutigem Wissensstand bestimmte Aspekte der Gehirnentwicklung in einem Organoid zuverlässig untersuchen lassen.

Als nächsten Schritt wollen die Forschenden nun versuchen, Aspekte der Stammzellnische in den Organoiden nachzubilden. Dafür könnten sie nach und nach Faktoren hinzufügen, die im Maushirn vorhanden sind, welche möglicherweise dazu beitragen, den zeitlich linearen Ablauf der Entwicklung wiederherzustellen.

Publikation:

M. Stouffer*, O. A. Miranda*, F. M. Pauler*, F. Pipicelli*, C. Streicher, G. Cheung & S. Hippenmeyer. 2026. Temporal Uncoupling of Radial Glia Lineage Progression in Cortical Organoid. Nature. DOI: 10.1038/s41586-026-10916-7

*Co-Erstautor:innen

Projektförderung:

Dieses Projekt wurde durch Mittel aus dem European Commission (IST plus postdoctoral fellowship), ISTA’s institutionelle Mittel, durch den FWF-SFB F78 „Neuro Stem Modulation“, sowie durch European Research Council (ERC) unter dem European Union’s Horizon 2020 research and innovation program (grant agreement 725780 LinPro) finanziert.

Information zu Tierversuchen:

Um grundlegende Prozesse etwa in den Bereichen Neurowissenschaften, Immunologie oder Genetik besser verstehen zu können, ist der Einsatz von Tieren in der Forschung unerlässlich. Keine anderen Methoden, wie zum Beispiel in-silico-Modelle, können als Alternative dienen. Die Tiere werden gemäß der strengen in Österreich geltenden gesetzlichen Richtlinien aufgezogen, gehalten und behandelt. Alle tierexperimentellen Verfahren sind durch das Bundesministerium für Frauen, Wissenschaft und Forschung genehmigt.