Wissenschaftler züchten erstes vollständig synthetisches Hirngewebe

Team der UC Riverside züchtet hirnähnliches Gewebe ohne tierische Inhaltsstoffe

In einer Entwicklung, die die Art und Weise, wie Labore das Gehirn untersuchen, neu gestalten könnte, berichten Forscher der University of California, Riverside, dass sie funktionierendes, hirnähnliches Gewebe auf einem Gerüst gezüchtet haben, das vollständig aus synthetischen Materialien besteht. Die Arbeit ersetzt die üblicherweise verwendeten tierischen Beschichtungen und Extrakte der extrazellulären Matrix durch ein chemisch neutrales Polymer, dessen physikalische Architektur allein die menschlichen Spenderzellen dazu anleitet, neuronale Netzwerke zu bilden. Dieser Ansatz zielt darauf ab, neurologische Tests kontrollierbarer und langlebiger zu machen sowie die Abhängigkeit von Tiermodellen zu verringern.

Wie das Gerüst hergestellt wird

Das Team konstruierte sein Gerüst aus Polyethylenglykol (PEG), einem weit verbreiteten, biokompatiblen Polymer, das normalerweise für die Zellanlagerung inert ist. Anstatt biologische Liganden wie Laminin oder Fibrin hinzuzufügen – Standard-Supplemente, die oft aus tierischem Gewebe gewonnen werden –, gestalteten die Forscher PEG zu einem hochstrukturierten, miteinander verbundenen porösen Labyrinth um. Zellen, die in die Poren eingebracht werden, haben Zugang zu Sauerstoff und Nährstoffen und organisieren sich, was entscheidend ist, in hirnähnlichen Clustern, die elektrisch kommunizieren, sobald sie ausgereift sind.

Um diese poröse Mikroarchitektur herzustellen, nutzte die Gruppe einen flussbasierten Fertigungsschritt: Lösungen aus Wasser, Ethanol und PEG wurden durch verschachtelte Glaskapillaren gepumpt, sodass die Mischung bei Kontakt mit einem äußeren Wasserstrom eine Phasentrennung vollzog. Ein Lichtblitz fixierte anschließend die getrennte Struktur, wodurch ein stabiles, hochporöses Gerüst entstand, das mit neuronalen Spenderzellen bestückt werden kann. Diese kontrollierte physische Struktur ist es, worauf die Zellen laut den Forschern reagieren, und nicht biologische Beschichtungen.

Warum der synthetische Weg wichtig ist

Die meisten aktuellen dreidimensionalen neuronalen Kulturplattformen stützen sich auf biologische Extrakte – zum Beispiel Basalmembran-Präparate –, die chemisch komplex sind, zwischen den Chargen variieren und oft von Tieren stammen. Diese Variablen machen Experimente schwerer reproduzierbar und erschweren die Bemühungen, Ergebnisse in die Humanmedizin zu übertragen. Im Gegensatz dazu ist PEG chemisch genau definiert und nicht immunogen, sodass daraus gebaute Gerüste mit konsistenter Zusammensetzung und mechanischen Eigenschaften hergestellt werden können. Zudem benötigen sie bei einer entsprechend optimierten Mikroarchitektur keine tierischen Zusätze, um das Zellwachstum zu unterstützen. Diese Materialeigenschaften haben PEG-Hydrogele seit Jahren zu einem grundlegenden Werkzeug im neuralen Tissue Engineering gemacht; die neue Arbeit demonstriert einen Weg, PEG durch die Anpassung seiner internen Geometrie nicht nur passiv zulassend, sondern aktiv instruktiv für die neuronale Organisation zu gestalten.

Einordnung in andere Gehirnmodelle

In den letzten Jahren haben Labore Organoid- und Assembloid-Technologien – selbstorganisierte Cluster aus menschlichen, von Stammzellen abgeleiteten Neuronen, die Aspekte von Hirnregionen und Signalwegen modellieren können – zu bemerkenswerter Treue geführt, einschließlich der Reproduktion von Schaltkreisen, die sensorische Signale übertragen. Diese Systeme basieren auf biochemischen Signalen und der zellulären Selbstorganisation, die durch biologische Matrizen und komplexe Protokolle bereitgestellt werden. Das Gerüst der UC Riverside ist komplementär dazu: Anstatt auf biologische Komplexität zu setzen, bietet es eine physisch definierte Plattform, welche die Reproduzierbarkeit und Langlebigkeit für Experimente verbessern könnte, die stabile, spenderspezifische Netzwerke benötigen. Zusammen bieten diese Ansätze den Forschern verschiedene Abwägungen zwischen biologischem Realismus, experimenteller Kontrolle und ethischen Bedenken hinsichtlich der Verwendung von Tieren.

Potenzielle Anwendungen und Vorteile

Die Forscher heben mehrere kurzfristige Einsatzmöglichkeiten hervor: die Modellierung der Mechanik von Schädel-Hirn-Traumata und Schlaganfällen, die Untersuchung von Krankheitsprozessen wie Alzheimer in spenderspezifischen Zellen und das Screening neuroaktiver Medikamente ohne tierisches Gewebe. Da das synthetische Gerüst stationär und weniger anfällig für biochemischen Abbau ist, kann es längere Experimente unterstützen, die eine Reifung der Nervenzellen ermöglichen – eine wichtige Voraussetzung, da viele Merkmale neurologischer Erkrankungen erst in reifen Neuronen auftreten. Das Team sieht dies auch als ersten Schritt hin zum Zusammenbau von Netzwerken verschiedener Organmodelle, damit Wissenschaftler Interaktionen zwischen dem Gehirn und anderen Geweben kontrolliert untersuchen können.

Grenzen und der Weg zur Skalierung

Die aktuellen Gerüste sind klein – etwa zwei Millimeter breit – und die Forscher räumen einige technische Herausforderungen ein, bevor der Ansatz größere oder komplexere Modelle ersetzen kann. An erster Stelle steht dabei die Perfusion: Größere Gewebekonstrukte benötigen eine integrierte Vaskulatur oder effiziente synthetische Kanäle, um Sauerstoff zuzuführen und Abfallprodukte zu entfernen. Das Design und die Herstellung von Gefäßnetzwerken, die Gewebe im Organmaßstab erhalten können, sowie die Verbindung dieser Netzwerke mit der synthetischen Gehirnmatrix bleiben aktive Forschungsbereiche. Es gibt auch Fragen dazu, wie Immuninteraktionen, die Physiologie der Blut-Hirn-Schranke und andere systemische Einflüsse in einem vollständig synthetischen Gerüst modelliert werden können.

Ethik, Regulierung und das Versprechen weniger Tierversuche

Abgesehen von der experimentellen Reproduzierbarkeit adressiert das synthetische Gerüst den ethischen und regulatorischen Druck, Tierversuche zu reduzieren. Regulierungsbehörden und Geldgeber in mehreren Rechtsräumen fördern die Entwicklung tierversuchsfreier Testsysteme für die Sicherheit und Wirksamkeit von Arzneimitteln. Definierte synthetische Plattformen könnten diesen Übergang beschleunigen, indem sie wiederholbare, für den Menschen relevante Testumgebungen bieten. Dennoch werden die Regulierungsbehörden sorgfältige Validierungen erwarten, die zeigen, dass Reaktionen im synthetischen Modell Ergebnisse beim Menschen vorhersagen, was Zeit und laborübergreifende Replikation erfordern wird.

Was als Nächstes zu beobachten ist

• Skalierung – Demonstrationen größerer Konstrukte und integrierter synthetischer Vaskulatur oder Perfusionssysteme.
• Funktionale Validierung – Elektrophysiologie- und Wirkstoffreaktionsstudien, die vorhersagbares, spenderspezifisches Verhalten zeigen, das für Krankheiten relevant ist.
• Plattformübergreifende Vergleiche – Head-to-Head-Tests, die synthetische Gerüste, Organoide und Tiermodelle für denselben Wirkstoff oder dieselbe Schädigung vergleichen.
• Regulatorisches Engagement – frühe Gespräche mit Behörden, um zu definieren, wie synthetische Gewebe in präklinischen Pipelines eingesetzt werden könnten.

Das Team der UC Riverside begann das Projekt im Jahr 2020 und wird durch interne Startup-Mittel sowie staatliche Zuschüsse für regenerative Medizin unterstützt. Das Gerüstkonzept hat die Gruppe bereits dazu veranlasst, verwandte Arbeiten zu synthetischem Lebergewebe einzureichen, und sie verfolgt weiterhin Strategien, um Kulturen auf Organebene zu interagierenden Systemen zu verbinden. Wenn diese nächsten Schritte erfolgreich sind, könnte der Ansatz den Forschern eine neue Klasse von menschenzentrierten, skalierbaren Gewebemodellen für die Neurowissenschaften und die Arzneimittelforschung bieten.

James Lawson ist investigativer Wissenschafts- und Technologiereporter für Dark Matter. Er hält einen MSc in Science Communication und einen BSc in Physics vom University College London und berichtet über Fortschritte in den Bereichen KI, Raumfahrt und Quantentechnologien.