Mit gezüchteten Neuronen Krankheiten heilen?

Durchbruch dank „tanzender“ Moleküle

Bisher hatten Wissenschaftler Probleme, Stammzellen in Neuronen umzuwandeln. Das Ergebnis waren unreife Neuronen, die ihre Funktionen nicht erfüllen konnten. Einem Forscherteam unter der Leitung der Northwestern University im US-Bundesstaat Illionois ist es gelungen, aus humaninduzierten pluripotenten Stammzellen (iPSCs) ausgereifte Neuronen zu produzieren.

Um die reifen Neuronen herzustellen, verwendete das Team „tanzende Moleküle“. Diese bahnbrechende Technik wurde 2022 von Professor Samuel I. Stupp an der Northwestern University eingeführt. Das Team differenzierte dafür zunächst menschliche iPSCs in motorische und kortikale Neuronen und platzierte sie dann auf Beschichtungen aus synthetischen Nanofasern. Diese Fasern enthielten die sich schnell bewegenden „tanzenden“ Moleküle.

Gezüchtete Neuronen mit verbesserten Signalfähigkeiten

Die angereicherten Neuronen waren nicht nur reifer, sondern zeigten auch verbesserte Signalfähigkeiten und eine größere Verzweigungsfähigkeit an den Synapsen, den Verbindungsstellen zwischen Neuronen. Das ist besonders wichtig, damit Neuronen Kontakt miteinander herstellen können. Und im Gegensatz dazu neigten die früheren von Stammzellen hergestellten Neuronen dazu, sich zusammenzuballen.

Mit der weiteren Entwicklung glauben die Forscher, dass diese reifen Neuronen als vielversprechende Therapie für Rückenmarksverletzungen sowie neurodegenerative Erkrankungen, einschließlich amyotropher Lateralsklerose (ALS), Parkinson, Alzheimer oder Multipler Sklerose, in Patienten transplantiert werden könnten.

Bessere Experimente bei In-vitro-Modellen

Die reifen Neuronen bieten auch neue Möglichkeiten zur Untersuchung neurodegenerativer Erkrankungen wie ALS und anderer altersbedingter Erkrankungen in In-vitro-Modellen. Das sind Untersuchungen in Petrischalen im Labor. Durch die Erhöhung des Alters von Neuronen in Zellkulturen könnten Forscher Experimente verbessern, um spät einsetzende Krankheiten besser zu verstehen.

„Dies ist das erste Mal, dass wir in der Lage waren, eine fortgeschrittene funktionelle Reifung von menschlichen iPSC-abgeleiteten Neuronen auszulösen, indem wir sie auf eine synthetische Matrix plattieren“, sagte Evangelos Kiskinis von Northwestern, Assistenzprofessor für Neurologie und Neurowissenschaften an der Feinberg School of Medicine der Northwestern University, Robertson, Forscher der New York Stem Cell Foundation und Mitglied der Kernfakultät des Les Turner ALS Center.

Ausgereifte Neuronen erfüllen normale Funktionen

Kiskinis weiter: „Es ist wichtig, weil es viele Anwendungen gibt, bei denen Forscher gereinigte Populationen von Neuronen verwenden müssen. Die meisten auf Stammzellen basierenden Labors verwenden Maus- oder Rattenneuronen, die zusammen mit aus menschlichen Stammzellen gewonnenen Neuronen kultiviert werden. Aber das erlaubt Wissenschaftlern nicht zu untersuchen, was in menschlichen Neuronen passiert, weil man am Ende mit einer Mischung aus Maus- und menschlichen Zellen arbeitet.“

„Wenn Sie ein iPSC haben, das Sie in ein Neuron verwandeln können, wird es ein junges Neuron sein“, sagte Stupp, unter anderem Professor of Materials Science and Engineering, Chemistry, Medicine and Biomedical Engineering an der Northwestern. „Aber damit es im therapeutischen Sinne nützlich ist, braucht man ein ausgereiftes Neuron. Ansonsten ist es so, als würde man ein Baby bitten, eine Funktion auszuführen, die einen erwachsenen Menschen erfordert. Wir haben bestätigt, dass Neuronen, die mit unseren Nanofasern beschichtet sind, eine höhere Reife erreichen als andere Methoden, und reife Neuronen sind besser in der Lage, die synaptischen Verbindungen herzustellen, die für die neuronale Funktion von grundlegender Bedeutung sind.“

Innovation: Mit tanzenden Molekülen beschichtete Nanofasern

Um die reifen Neuronen zu entwickeln, verwendeten die Forscher Nanofasern, die aus „tanzenden Molekülen“ bestehen. Dieses Material hat das Stupps Labor als potenzielle Behandlung für akute Rückenmarksverletzungen entwickelt. Bereits früher entdeckte Stupp, dass diese Moleküle ständig bewegende Zellrezeptoren finden und richtig mit ihnen interagieren können. Indem sie die Bewegung biologischer Moleküle nachahmen, können die synthetischen Materialien mit Zellen kommunizieren.

Eine Schlüsselinnovation von Stupps Forschung war die Entdeckung, wie man die kollektive Bewegung von mehr als 100.000 Molekülen innerhalb der Nanofasern steuern kann. Da sich zelluläre Rezeptoren im menschlichen Körper schnell bewegen können – manchmal in Zeitskalen von Millisekunden – werden sie zu schwer zu treffenden beweglichen Zielen.

„Stellen Sie sich vor, Sie unterteilen eine Sekunde in 1.000 Zeiträume“, sagte Stupp. „So schnell könnten sich Rezeptoren bewegen. Diese Zeitskalen sind so schnell, dass sie schwer zu erfassen sind.“

Je größer die Bewegung, desto besser die Neuronen

In der neuen Studie fanden Stupp und Kiskinis heraus, dass Nanofasern mit der größten Bewegung zu den am stärksten verbesserten Neuronen führen. Mit anderen Worten: Neuronen, die auf dynamischeren Beschichtungen kultiviert wurden – im Wesentlichen Gerüste, die aus vielen Nanofasern bestehen – waren auch die Neuronen, die am reifsten wurden, sich am wenigsten zusammenballten und intensivere Signalfähigkeiten aufwiesen.

Die Rezeptoren auf der Zellmembran und die Signalmoleküle der Nanofasern bewegen sich sehr schnell und können sich dadurch synchronisieren. Stupp: „Wenn zwei Tänzer nicht synchron sind, funktioniert die Paarung nicht. Die Rezeptoren werden durch die Signale durch ganz bestimmte räumliche Begegnungen aktiviert. Es ist auch möglich, dass unsere sich schnell bewegenden Moleküle die Rezeptorbewegung verbessern, was wiederum dazu beiträgt, sie zu gruppieren, um die Signalübertragung zu verbessern.“

Neuronen mit ALS-Signatur liefern neue Erkenntnisse

Stupp und Kiskinis glauben, dass ihre reifen Neuronen Einblicke in altersbedingte Krankheiten geben und Kandidaten für das Testen verschiedener Arzneimitteltherapien in Zellkulturen werden können.

Im Rahmen der Untersuchungen entnahmen Kiskinis und sein Team einem Patienten mit ALS Hautzellen und wandelten sie in patientenspezifische iPSCs um. Dann differenzierten sie diese Stammzellen zu Motoneuronen, dem Zelltyp, der von dieser neurodegenerativen Erkrankung betroffen ist. Schließlich kultivierten die Forscher Neuronen auf den neuartigen synthetischen Beschichtungsmaterialien, um ALS-Signaturen weiterzuentwickeln. Diese „ALS-Neuronen“ könnten auch zum Testen potenzieller Therapien verwendet werden.

„Zum ersten Mal konnten wir eine neurologische Proteinaggregation im Erwachsenenalter in den Motoneuronen von ALS-Patienten aus Stammzellen beobachten. Dies stellt einen Durchbruch für uns dar“, sagte Kiskinis. „Es ist unklar, wie die Aggregation die Krankheit auslöst. Das wollen wir zum ersten Mal herausfinden.“

Gezüchtete Neuronen für neurodegenerative Krankheiten

Später könnten von iPSC abgeleitete verbesserte Neuronen auch in Patienten mit Rückenmarksverletzungen oder neurodegenerativen Erkrankungen transplantiert werden. Beispielsweise könnten Ärzte Hautzellen von einem Patienten mit ALS oder Parkinson-Krankheit entnehmen, sie in iPSCs umwandeln und diese Zellen dann auf der Beschichtung kultivieren, um gesunde, hochfunktionelle Neuronen zu erzeugen.

Die Transplantation gesunder Neuronen in einen Patienten könnte beschädigte oder verlorene Neuronen ersetzen und möglicherweise verlorene Kognition oder Empfindungen wiederherstellen. Da die ursprünglichen Zellen vom Patienten stammten, würden die neuen, von iPSC stammenden Neuronen genetisch zum Patienten passen, wodurch die Möglichkeit einer Abstoßung ausgeschlossen würde.

Zellersatztherapie in nicht allzu ferner Zukunft?

„Die Zellersatztherapie kann für eine Krankheit wie ALS sehr herausfordernd sein, da transplantierte Motoneuronen im Rückenmark ihre langen Axone zu den entsprechenden Muskelstellen in der Peripherie projizieren müssen. Aber für die Parkinson-Krankheit könnte das einfacher sein“, sagte Kiskinis. „In jedem Fall wird diese Technologie transformativ sein.“

„Es ist möglich, einem Patienten Zellen zu entnehmen, sie in Stammzellen umzuwandeln und sie dann in verschiedene Zelltypen zu differenzieren“, sagte Stupp. „Aber der Ertrag dieser Zellen ist in der Regel gering, und das Erreichen einer angemessenen Reifung ist ein großes Problem. Wir könnten unsere Beschichtung in die großtechnische Herstellung von Patienten-abgeleiteten Neuronen für Zelltransplantationstherapien ohne Immunabstoßung integrieren.“

Quelle:

Álvarez Z, Ortega JA, Sato K, Sasselli IR, Kolberg-Edelbrock AN, Qiu R, Marshall KA, Nguyen TP, Smith CS, Quinlan KA, Papakis V, Syrgiannis Z, Sather NA, Musumeci C, Engel E, Stupp SI, Kiskinis E. Artificial extracellular matrix scaffolds of mobile molecules enhance maturation of human stem cell-derived neurons. Cell Stem Cell. 2023 Feb 2;30(2):219-238.e14. doi: 10.1016/j.stem.2022.12.010. Epub 2023 Jan 12. PMID: 36638801; PMCID: PMC9898161. (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/36638801/)