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14.04.2023 - Max-Planck-Institut für molekulare Biomedizin


HÄNGEMATTE FÜR HIRNORGANOIDE


NEUARTIGES MIKROELEKTRODEN-ARRAY-SYSTEM ERMÖGLICHT LANGZEITKULTIVIERUNG UND
ELEKTROPHYSIOLOGISCHE ANALYSEN

Max-Planck-Institut für molekulare Biomedizin

Ein menschliches Hirnorganoid (rot) wuchs ein Jahr lang auf der
hängemattenartigen Netzstruktur eines Mesh-MEAs (grün). Das
rasterelektronenmikroskopische Bild zeigt, wie das Hirnorganoid die
Netzfilamente und Mikroelektroden umwachsen hat.

Hineinzoomen

‹ ›

Hirnorganoide sind sich selbst organisierende Gewebekulturen, die aus
Patientenzell-erzeugten induzierten pluripotenten Stammzellen gezüchtet werden
und Gewebestrukturen ausbilden, die in vielerlei Hinsicht dem Gehirn in vivo
ähneln. Dies macht Gehirn-Organoide sowohl für die Erforschung der normalen
Gehirnentwicklung als auch für die Entstehung von Nervenerkrankungen
interessant. Neuronale Aktivität, gemessen durch elektrische Signale der Zellen,
konnte in den Organoiden bisher jedoch nur unzureichend untersucht werden. Ein
Wissenschaftlerteam um Dr. Thomas Rauen vom Max-Planck-Institut für molekulare
Biomedizin in Münster hat nun in Zusammenarbeit mit der Gruppe von Dr. Peter
Jones am NMI (Naturwissenschaftliches und Medizinisches Institut der Universität
Tübingen) ein neuartiges Mikroelektroden-Array-System (Mesh-MEA) entwickelt, das
nicht nur optimale Wachstumsbedingungen für humane Hirnorganoide schafft,
sondern auch berührungslose elektrophysiologische Messungen während der gesamten
Wachstumsphase ermöglicht. Dies eröffnet neue Perspektiven für die Erforschung
verschiedener Erkrankungen des Gehirns sowie für die Entwicklung neuer
Therapieansätze.

Nervenzellen kommunizieren über chemische Signale (Neurotransmitter), die in
elektrische Signale umgewandelt werden und so die Information von einer
Nervenzelle zur nächsten weitergeben. Auch in Hirn-Organoiden kommunizieren die
Nervenzellen auf diese Weise miteinander.

„Um den Ursachen verschiedener Erkrankungen des Gehirns auf die Spur zu kommen
und neue Therapieansätze zu finden, reicht es nicht aus, Nervenzellen unter dem
Mikroskop zu betrachten. Man muss auch wissen, wie die Nervenzellen ‚ticken‘ –
wie sie miteinander kommunizieren“, sagt Thomas Rauen. Bisherige Systeme, mit
denen die Kommunikation zwischen den Nervenzellen in Hirn-Organoiden gemessen
wurde, haben allerdings ihre Grenzen. Denn in den relativ großen
Gehirn-Organoiden kommen die Sensoren entweder nicht nah genug an die
Nervenzellen heran oder sie zerstören beim Einstechen Teile des Organoidgewebes.


EINE HÄNGEMATTE FÜR HIRN-ORGANOIDE

Nun hat das Team von Dr. Thomas Rauen zusammen mit dem Team um Dr. Peter Jones
ein neuartiges Mikroelektroden-Array-System (Mesh-MEA) entwickelt, das nicht nur
optimale Wachstumsbedingungen für humane Hirn-Organoide schafft, sondern auch
berührungslose elektrophysiologische Messungen während der gesamten
Wachstumsphase der Hirn-Organoide ermöglicht.

Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler kreierten eine Art Hängematte für
die Hirn-Organoide: „Die hängemattenähnliche Netzstruktur stellt 61
Mikroelektroden für die elektrophysiologische Messungen der neuronalen
Netzwerkaktivität bereit,“ erklärt Dr. Peter Jones das Design.

Die aktuelle Studie zeigt, dass sich Hirn-Organoide auf dem neu entwickelten
Mesh-MEA bis zu einem Jahr lang kultivieren und elektrophysiologisch untersuchen
lassen. „Das ist ein großer Erfolg, weil wir so Hirnorganoide viel länger als
bislang untersuchen können. Die normale menschliche Gehirnentwicklung dauert ja
sehr lange und auch neurodegenerative Erkrankungen entwickeln sich nur langsam,“
so Rauen.

Der Schlüssel des aktuellen Erfolgs liegt darin, dass die Hirnorganoide die
spinnennetzartige MEA-Netzstruktur umwachsen. Das konnte Dr. Katherina Psathaki
vom CellNanOs der Universität Osnabrück mit dem Elektronenmikroskop zeigen. Sie
analysierte die Hirnorganoide in ihrer Hängematte ein Jahr nach Beginn der
Kultivierung. „Die Aufnahmen zeigen deutlich, dass sich die Hirn-Organoide in
dieser Netzstruktur frei hängend entwickeln. So sind sie einerseits optimal mit
Sauerstoff und Nährstoffen versorgt, und andererseits befinden sich die
Mikroelektroden mitten in dem Hirnorganoid,“ ergänzt Thomas Rauen.

Die Wissenschaftler beobachteten spontane neuronale Aktivität, die von den
Mikroelektroden in den Hirn-Organoiden aufgezeichnet wurden. „Es gab
kontinuierlich wiederkehrende, synchronisierte neuronale Aktivität während der
gesamten Aufzeichnungsphase, was auf die Bildung neuronaler Netzwerke hindeutet,
wie sie auch in vivo zu beobachten sind,“ sagt Thomas Rauen.

Auch wenn Hirnorganoide nicht alle Funktionen des menschlichen Gehirns abbilden
können, sind Peter Jones und Thomas Rauen überzeugt, dass die
elektrophysiologische Analyse von Hirnorganoiden mit ihrem neu entwickelten
Mesh-MEA-System die Simulation spezieller funktioneller Aspekte der menschlichen
Hirnentwicklung und ihrer Erkrankungen im Labor erlaubt, deren Untersuchung
bisher noch nicht möglich war.

Originalveröffentlichung
 * Matthew McDonald, David Sebinger, Lisa Brauns, Laura Gonzalez-Cano, Yotam
   Menuchin-Lasowski, Michael Mierzejewski, Olympia-Ekaterini Psathaki, Angelika
   Stumpf, Jenny Wickham, Thomas Rauen, Hans Schöler, Peter D. Jones; A mesh
   microelectrode array for non-invasive electrophysiology within neural
   organoids; Biosensors and Bioelectronics, Volume 228, 15 May 2023, 115223




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