Geleerden kweken een miniatuur menselijk brein

Geleerden zijn er voor het eerst in geslaagd miniatuur menselijke hersenen te kweken in een laboratorium. De mini-hersenen zijn zo groot als een erwt en hebben zowat het niveau van ontwikkeling van een negen weken oude foetus. De doorbraak opent nieuwe mogelijkheden voor de studie van hersenaandoeningen en nieuwe geneesmiddelen.

Geleerden waren er eerder al in geslaagd om hersencellen te laten groeien in een laboratorium, maar dit experiment is het dichtst dat men ooit geraakt is bij het kweken van een echt brein.

De mini-hersenen hebben immers verschillende gedifferentieerde structuren, zoals een hersenschors, de buitenste laag van de grote hersenen, een netvlies of retina, dat zich ontwikkelt uit de hersenen en bestaat uit hersenweefsel, een plexus chorioideus, die hersenvocht aanmaakt, en af en toe een hippocampus, het deel van de hersenen dat een rol speelt bij het geheugen. Daarmee komt het mini-brein op het niveau van ontwikkeling dat men bij een foetus van negen weken aantreft.

Een deel van de hersenen dat niet aanwezig is, zijn de kleine hersenen, die een rol spelen bij de motoriek. Verwonderlijk is dat niet, aangezien die zich later ontwikkelen dan de eerder genoemde delen van de hersenen.

Voedselbad

De geleerden van het Institute of Molecular Biotechnology of the Austrian Academy of Sciences gebruikten embryonale stamcellen of huidcellen van volwassenen voor hun experiment. Van de huidcellen werden induced pluripotent stemcells (iPS-cellen) gemaakt, die net als embryonale stamcellen het vermogen hebben om uit te groeien tot om het even welk type cel.

De stamcellen kregen een mengeling van voedingsstoffen waarvan de geleerden dachten dat ze essentieel zijn voor de ontwikkeling van hersencellen, en ze ontwikkelden zich tot een neuroectoderm, het deel van de foetus dat uitgroeit tot de hersenen en het ruggenmerg.

Dat neuroectoderm werd dan bevestigd op kleine druppeltjes gel om het toe te laten uit te groeien tot een driedimensionale structuur en het werd in een ronddraaiende bioreactor gezet, een voedselbad dat ook zuurstof levert.

In minder dan een maand groeiden de stamcellen uit tot een mini-brein met verschillende structuren en ze bereikten hun maximale grootte van zowat 4 millimeter na twee maanden.

De mini-hersenen zijn al meer dan een jaar in leven gehouden, maar ze worden niet meer groter. Om dat te bereiken, zouden de stamcellen zich ook moeten differentiëren in bloedvaten die zuurstof en voedingstoffen ook in het midden van de hersenen kunnen brengen, en dat is veel moeilijker dan enkel hersenweefsel kweken.

Microcefalie

Toch wordt het experiment, dat gepubliceerd is in het vakblad Nature, door neurologen verbluffend en fascinerend genoemd. En de geleerden van het Institute of Molecular Biotechnology hebben hun techniek ook al gebruikt om de ziekte aangeboren microcefalie te bestuderen.

Bij microcefalie ontwikkelen de hersenen zich niet volledig zodat ze kleiner blijven. De patiënten hebben ook een kleinere schedel en vaak is er ook sprake van een verstandelijke beperking.

De geleerden gebruikten huidcellen van mensen met de aandoening om mini-hersenen te kweken, en konden zo zien hoe de ontwikkeling van de hersenen veranderde.

Bij de normale ontwikkeling van de hersenen, maken de stamcellen in het begin eerste een fase door waarin ze zich splitsen om meer stamcellen te vormen. Pas als er een bepaald aantal stamcellen zijn, schakelen sommige stamcellen over naar het voortbrengen van neuronen, hersencellen.

Bij de microcefalische stamcellen was de periode voor de omschakeling korter, zodat er minder stamcellen waren. Daardoor konden er minder neuronen gevormd worden en bleven de hersenen kleiner dan normaal.

De geleerden ontdekten ook dat het verminderde aantal neuronen verband hield met een gebrek aan het proteïne CDK5RAP2. Als ze dat proteïne toedienden aan de microcefalische mini-hersenen, nam het aantal neuronen toe.

Mogelijk kan de nieuwe techniek ook gebruikt worden om nieuwe geneesmiddelen te testen, maar dat is niet vanzelfsprekend. De meeste geneesmiddelen werken immers in op zaken als gewaarwordingen, stemmingen, pijn, de controle over het lichaam en deze mini-hersenen hebben geen bewustzijn of reageren niet op prikkels van de buitenwereld. Van de complexe activiteit die plaatsvindt in echte hersenen, is er hier immers geen sprake.