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«Wir generieren kleine Gehirne in der Petrischale»
Prof. Dr. Verdon Taylor vom Department Biomedizin der Universität Basel erforscht die Entwicklung des Gehirns aus Stammzellen. Dafür setzt er auch tierfreie Methoden ein. Hier erklärt er, welche Forschungsfragen sich damit beantworten lassen. Und warum es trotzdem noch Versuche mit Tieren braucht.
24. Januar 2022
Herr Taylor, was wollen Sie mit Ihrer Forschungsgruppe herausfinden?
Wir untersuchen, wie sich im frühen Embryo aus einer relativ einfachen Struktur, dem Neuralrohr, das komplexeste Organ unseres Körpers entwickelt, nämlich das Gehirn. Aus den neuronalen Stammzellen entstehen Tausende von unterschiedlichen Nerven- und Glia-Zelltypen mit verschiedenen Funktionen, die das Gehirn und das übrige zentrale Nervensystem bilden. Wir wollen die Mechanismen und die Signale hinter diesem Prozess identifizieren. Vielleicht können wir so eines Tages neue Hirnzellen produzieren und Hirngewebe ersetzen, das durch neurodegenerative Erkrankungen wie Alzheimer oder durch Verletzungen verloren gegangen ist. Oder aber diese Krankheiten behandeln, bevor es überhaupt zu Symptomen kommt.
Sie setzen für Ihre Forschung auch Alternativen zu Tierversuchen ein. Was für Methoden sind das?
Wir verwenden In-Vitro-Methoden mit neuronalen Stammzellen, die wir aus dem Hirn von erwachsenen Mäusen isolieren. Hierfür müssen wir zwar ein einzelnes Tier opfern, aber dann können wir die Zellen fast ein Jahr lang kultivieren und damit experimentieren. Wir generieren damit kleine Gehirne in der Petrischale und Nervenzellen, die sich über Synapsen verbinden und elektrische Signale weiterleiten können. Das Gewebe enthält aber auch andere Zelltypen des Gehirns wie Gliazellen und Myelin-bildende Oligodendrozyten, die eine isolierende Schicht um die Nervenfasern bilden.
Welche Art von Experimenten führen Sie mit diesen Hirn-Organoiden durch?
Wir können diese Zellen beispielsweise aus einer Maus isolieren, die eine Mutation in einem Gen hat. Dann können wir mithilfe der Organoide herausfinden, welche Funktion dieses Gen bei der Entwicklung von Hirnzellen hat. Oder wir verwenden Stammzellen von Mäusen mit Genmutationen, um mehr über die Hirnentwicklung und die Ursache von Krankheiten herauszufinden. Ich sehe mich quasi als einen Mechatroniker des Gehirns, der versucht zu verstehen, wie alle Teile zusammenarbeiten und wodurch sie kontrolliert werden. Erst wenn wir verstehen, wie das Gehirn gebaut wird und funktioniert, können wir es auch reparieren, wenn es kaputtgeht.
Obwohl Sie Hirn-Organoide zur Verfügung haben, führen sie trotzdem auch Versuche mit Tieren durch. Warum?
Wenn wir Zellen kultivieren, bewegen wir uns in einem eingeschränkten System, an das wir sehr präzise Fragen stellen können und das uns sehr präzise Antworten liefert. Aber wir haben nicht die gleiche Komplexität wie im Gehirn eines Tiers. Wir haben keine Hirnflüssigkeit, keine Blutgefässe und keine Kommunikation mit dem Rest des Körpers. Deswegen müssen wir immer zurück ins Tier, um zu beweisen, dass unsere Ergebnisse auch im ganzen Organismus relevant sind und nicht auf Artefakten beruhen. Dies tun wir in meiner Gruppe aber erst, wenn wir eine ganz solide Grundlage aus In-vitro-Experimenten haben.
Lässt sich diese Komplexität nicht auch in vitro simulieren?
Da sind wir im Moment schon dran. Wir arbeiten bereits daran, Hirn-Organoide zu produzieren, die von Blutgefässen durchzogen sind, durch die wir Flüssigkeit leiten können. Denn auch im Gehirn stehen Blutgefässe und Nervenzellen in engem Kontakt und tauschen Sauerstoff, Kohlenstoffdioxid, Nährstoffe, Stoffwechselprodukte und Informationen aus. Es gibt auch den «Organ-on-a-chip» Ansatz, bei dem verschiedene Gewebearten wie Hirn und Leber auf einem Mikrofluidik-Chip platziert werden, wo sie über kleine Kanäle miteinander verbunden sind.
Welche alternative Methode hat Ihrer Ansicht nach das grösste Potenzial?
Wir können jetzt menschliches Gewebe in der Petrischale erzeugen, dafür braucht es keine Tiere. Hierzu programmieren wir menschliche Zellen, zum Beispiel Blutzellen, zu pluripotenten Stammzellen um, aus denen sich alle möglichen Gewebe wie Hirn, Haut und Herz herstellen lassen. So können wir Hirngewebe von Patienten mit neurologischen Erkrankungen wie der Parkinson-Krankheit züchten und mit den gleichen Zellen von gesunden Menschen vergleichen. Oder wir können in der Petrischale testen, welche Medikamentenkombination das Absterben der kranken Nervenzellen verhindert.
Glauben Sie, dass die Forschung dank solcher alternativen Methoden eines Tages ganz auf Tierversuche verzichten kann?
In-vitro-Experimente sind ein wertvoller Ansatz und sie werden immer besser und besser. Aber letztendlich müssen wir den ganzen Organismus mit den komplexen Interaktionen zwischen verschiedenen Zelltypen, verschiedenen Geweben und verschiedenen Organen betrachten. Andererseits haben Versuche mit Tieren auch ihre Limitationen. Deshalb müssen wir eine Kombination von verschiedenen Methoden einsetzen, das ist wie ein Puzzle. Zurzeit würde ich jedenfalls kein Medikament verwenden, das nur in einer Zellkultur getestet und nicht zuvor auch in Tieren verifiziert wurde.
Initiative für ein Verbot von Tier- und Menschenversuchen
Am 13. Februar stimmt die Schweiz über Volksinitiative «Ja zum Tier- und Menschenversuchsverbot – Ja zu Forschungswegen mit Impulsen für Sicherheit und Fortschritt» ab. Sie will jegliche Versuche an Tieren und Menschen sowie Handel, Ein- und Ausfuhr von Produkten wie beispielsweise Arzneimitteln verbieten, für die Tierversuche oder klinische Studien durchgeführt wurden.
Swissuniversities, die Dachorganisation der Schweizer Hochschulen, sowie weitere akademischen Organisationen und Verbände warnen vor einem Medizin- und Forschungsverbot. Eine Annahme der Initiative würde insbesondere die biomedizinische Forschung und neue medizinische Behandlungsmethoden verhindern. Auf dem Spiel stehen die hohe Qualität der Gesundheitsversorgung und die verantwortungsvolle Forschung in der Schweiz im Dienste der Bevölkerung und der Umwelt.