Chinesische Wissenschaftler haben ein neuartiges „Schutzmittel“ erfunden, das 18 Monate lang eingefrorenes Hirngewebe wiederbeleben kann!

Freunde, die den Roman „Die drei Sonnen“ gelesen haben, erinnern sich vielleicht noch an die Handlung, in der ein gefrorenes menschliches Gehirn ins All geschickt und dann wiederbelebt und sogar zu einem vollständigen Körper geklont wurde. Kürzlich veröffentlichte ein Forschungsteam unter der Leitung von Dr. Shao Zhicheng vom Institute of Brain Science Translational Research der Universität Fudan in der Fachzeitschrift Cell Reports Methods eine neue Technologie zur Kryokonservierung von Hirngewebe, mit der es gelungen ist, Hirnzellen wiederzubeleben, die bis zu 18 Monate lang eingefroren waren. Wird die Technologie aus dem Roman in der Realität umgesetzt?

Unter normalen Umständen unterliegen menschliche Zellen einem ständigen Stoffwechsel und einer ständigen Erneuerung. Die meisten Enzyme, die verschiedene biochemische Reaktionen katalysieren, sind in einer Umgebung nahe der normalen Körpertemperatur am aktivsten. Wenn die Temperatur sinkt, verlangsamen sich daher die Lebensaktivitäten der Zellen. Bei extrem niedrigen Temperaturen, wie sie etwa in flüssigem Stickstoff bei etwa -196 °C herrschen, werden Stoffwechsel- und Sterbeprozesse der Zelle nahezu vollständig eingestellt und ihr Zustand bleibt erhalten. Die Kryokonservierungstechnologie ist von großer Bedeutung für die assistierte Reproduktion, Organtransplantation, Krankheitsforschung, Arzneimittelentwicklung usw.

Das Erstellen einer kryogenen Umgebung ist einfach, aber der Gefrier- und Auftauprozess kann tödliche Zellschäden verursachen.

Zellen enthalten große Mengen Wasser. Sobald das Wasser gefroren ist, dehnt es sich aus und bildet scharfe Eiskristalle, die die Zellen „platzen“ lassen. Im Alltag sind gefrorenes Fleisch und Obst immer weich und matschig, da die Zellen durch Eiskristalle beschädigt werden.

Aus diesem Grund wird beim Einfrieren eine Art von Substanz namens Kryoprotektiva verwendet. Zu den gebräuchlichen Substanzen gehören Glycerin, Saccharose, Dimethylsulfoxid usw. Sie haben einen relativ niedrigen Gefrierpunkt und ihre Verwendung zum Ersetzen von Wasser in Zellen vor dem Einfrieren kann die Bildung von Eiskristallen verringern. Der Aufbau und die Funktion der Keimzellen sind relativ einfach und ihr Wassergehalt gering. Derzeit ist die Technologie zur Kryokonservierung von Spermien und Eizellen relativ ausgereift.

Lebendes menschliches Hirngewebe mit pathologischen Merkmalen ist ein zuverlässiges Modell zur Erforschung neurologischer Erkrankungen. Allerdings ist es nicht einfach, Proben zu erhalten, und die Konservierungswirkung durch das Einfrieren ist nicht optimal. Gehirnzellen bestehen bis zu 80 % aus Wasser und reagieren sehr empfindlich auf Kälteschäden. Darüber hinaus ist die funktionelle Struktur des Hirngewebes komplex und herkömmliche Technologien sind nicht in der Lage, die meisten funktionsfähigen Neuronen zu erhalten.

Forscher versuchen, mit aus embryonalen Stammzellen differenzierten „gehirnähnlichen Organen“ zu forschen. Diese Gehirn-Organoide haben einen Durchmesser von nur wenigen Millimetern, können aber eine Vielzahl von Zelltypen und dreidimensionalen Strukturen entwickeln, die dem menschlichen Gehirn ähneln. Die hohen Kosten der Langzeitkultur von Gehirn-Organoiden schränken jedoch ihre Anwendung ein. Aus den oben genannten Gründen werden bei der Arzneimittelprüfung derzeit noch überwiegend Tiermodelle verwendet, was auch dazu geführt hat, dass über 90 % der neuen Arzneimittelkandidaten in klinischen Studien versagt haben. Daher ist es dringend erforderlich, eine Technologie zu entwickeln, mit der Gehirn-Organoide und echtes menschliches Gehirngewebe wirksam kryokonserviert werden können.

Das Forschungsteam der Fudan-Universität verwendete neun Kryoprotektiva als Alternativen zum Kryoschutz der kortikalen Gehirn-Organoide. Durch zahlreiche Experimente fanden sie heraus, dass die Kombination aus Dimethylsulfoxid, Methylcellulose, Ethylenglykol und einem Zellapoptosehemmer (Y27632) die beste Wirkung hatte, und nannten dieses neue Schutzmittel „MEDY“.

Bei kortikalen Hirnorganoiden mit einer Kulturdauer von 28 Tagen bis über 100 Tagen erzielte MEDY gute Schutzeffekte hinsichtlich der Zellstruktur und der neuronalen Wachstumsaktivität. Bei bis zu 18 Monaten kryokonservierten Gehirn-Organoiden blieben auch Neuronen und Progenitorzellen mit Proliferationsfähigkeit optimal erhalten, und die Proliferationsaktivität nach dem Auftauen lag nahe an der von nicht gefrorenen Zellen. MEDY ist auch auf Gehirn-Organoide aus anderen Gehirnregionen anwendbar, beispielsweise auf Gehirn-Organoide des Rückenmarks, und birgt das Potenzial für nachfolgende Nerventransplantationsbehandlungen bei Rückenmarksverletzungen. Darüber hinaus entnahmen die Forscher zu Untersuchungen auch eine etwa drei Millimeter große Probe aus dem Hirngewebe eines neun Monate alten Kindes mit Epilepsie. Die Ergebnisse zeigten, dass das Hirngewebe nach dem Auftauen strukturell intakt war und im Kulturmedium zwei Wochen lang aktiv blieb.

Von Gehirn-Organoiden bis hin zu echtem Gehirngewebe von Patienten zeigt MEDY eine große Vielseitigkeit. Kryokonservierte Modelle eignen sich besser für die Untersuchung neurologischer Erkrankungen, das Arzneimittelscreening und die Weiterentwicklung klinischer Behandlungen mithilfe neuronaler Gehirn-Organoide im Bereich der regenerativen Medizin. Die aktuellen Ergebnisse basieren noch immer auf Mikrogeweben von wenigen Millimetern. In Zukunft werden eingehende Forschungen an mehr Arten und Proben mit größerem Volumen erforderlich sein. Auch wenn wir noch weit vom Ziel entfernt sind, das gesamte Gehirn oder gar den gesamten menschlichen Körper einzufrieren, wie es in Science-Fiction-Szenarien vorkommt, handelt es sich hierbei zweifellos um einen wichtigen Schritt nach vorn.

Dieser Artikel ist eine Arbeit, die vom Science Popularization China Creation Cultivation Program unterstützt wird

Autor: Xu Sijia

Rezensent: Li Chong

Produziert von: Chinesische Vereinigung für Wissenschaft und Technologie, Abteilung für Wissenschaftspopularisierung

Hersteller: China Science and Technology Press Co., Ltd., Beijing Zhongke Xinghe Culture Media Co., Ltd.