Stammzellchip für die Neurologie entwickelt: Neues Diagnoseverfahren kombiniert Embryonaler Stammzell- und Computertechnologie
Mit einem neu entwickelten bio-elektronischen Verfahren liefern Wissenschaftler um den Mediziner Marcel Dihné und den Physiker Stephan Theiss ein Diagnoseinstrument auf der Basis außerhalb des Körpers gezüchteter und elektrisch aktiver Nervenzellen. Die Forscher zeigen die Leistungsfähigkeit des Neurochips am Beispiel des Nervenwassers und weisen damit erstmals dessen möglichen Einfluss auf Bewusstseinstrübungen bzw. kognitive Defizite bei Patienten nach einem durchlaufenen Schädel-Hirn-Trauma nach. Der Clou: der Neurochip entstand auf der Grundlage embryonaler Stammzelltechnologie.
In dem an der Universitätsklinik Düsseldorf entwickelten Verfahren, werden erstmals Nervenzellpopulationen, die aus embryonalen Stammzellen der Maus unter Laborbedingungen entwickelt wurden, auf Elektrodenfeldern (Dünnschichtleiterstrukturen) gezüchtet. Diese bio-elektronischen "Zwitter" oder Neurochips erlauben es, die elektrische Aktivität miteinander vernetzter Nervenzellen zu erfassen und computergestützt zu analysieren. Die Wissenschaftler konnten zeigen, dass diese In-vitro-Technologie für Nervenzellen zukünftig schädliche oder giftige Substanzen oder solche, die stoffwechselbedingte Störungen der Gehirnfunktion verursachen, charakterisieren kann und so neue therapeutische Ansätze aufzeigt. Die Übertragung dieser Technologie vom zunächst benutzten Mausmodell auf humane Stammzellen wird die Präzision der Ergebnisse künftig weiter erhöhen.
Die Nervenzellpopulationen, aus Embryonalen Stammzellen der Maus, zeigten schon nach wenigen Wochen die für neuronale Netzwerke typische, über die gesamte Nervenzellpopulation hinweg synchrone Aktivität. Dies ist Ausdruck der Kommunikation mehrerer Tausend Nervenzellen auf dem einzelnen Chip. Die Wissenschaftler erzeugen damit erstmals grundlegende Eigenschaften von Gehirnaktivität in einem aus unreifen Embryonalen Stammzellen entwickelten Zellkultursystem.
Aus diesem Schritt ergeben sich völlig neue Anwendungsgebiete der Embryonalen Stammzellen. Die Forscher haben ein Diagnoseinstrument entwickelt, das den rein regenerativen Ansatz der Verwendung von Stammzellen, zum bei einer Zellersatztherapie nach Schlaganfall, ergänzt. Durch den angestrebten Transfer dieser Technologie auf humane Zellen wird die ethische Problematik der Verwendung humaner Embryonaler Stammzellen völlig vermieden. Die Zellen werden zum einen aus der menschlichen Haut gewonnen und zum anderen, im Rahmen der hier beschriebenen Anwendung als Diagnosesystem, nicht in einen lebenden Organismus eingebracht.
Die Leistungsfähigkeit dieser Methode wurde demonstriert, indem bislang völlig unbekannte funktionelle Auswirkungen von Nervenwasser auf neuronale Netzwerke charakterisiert werden konnten. Nervenwasser umgibt das Gehirn wie eine Schutzhülle. Es ist auch in den inneren Gehirnkammern sowie im Rückenmarkkanal zu finden und wird routinemäßig mittels einer so genannten Lumbalpunktion zur Diagnostik neurologischer Erkrankungen entnommen. Es zeigte sich, dass Nervenwasser, das von schwer betroffenen Schädel-Hirn-Trauma Patienten stammte, im Gegensatz zu Proben von gesunden Kontroll-Patienten, die typischen Aktivitätsmuster der eingesetzten Nervenzellen erheblich unterdrückt.
Das Team um Dihné und Theiss fand Hinweise, dass Aminosäuren wie Glycin, Alanin, Serin oder Glutamat, deren Konzentrationen im Nervenwasser nach einem Schädel-Hirn-Trauma erhöht sind, an dieser funktionellen Hemmung beteiligt sind. Die klinisch-neurologische Bedeutung dieser Ergebnisse wird untermauert durch die Tatsache, dass das Ausmaß der Aktivitätshemmung der Nervenzellen durch die Nervenwasserproben von Schädel-Hirn-Trauma Patienten grob den unterschiedlichen Graden von Bewusstseinsstörungen dieser Patienten entspricht.
Die negativen Auswirkungen des veränderten Nervenwassers auf die Neurochip-Aktivität liefern somit einen neuen Erklärungsansatz für Bewusstseinstrübungen bzw. kognitive Defizite nach einem durchlaufenen Schädel-Hirn-Trauma. Diese Störungen lassen sich nämlich nicht immer durch die etwa auf Kernspinaufnahmen sichtbaren Schädigungen erklären. Mit dem innovativen Ansatz von Dihné und Theiss ergibt sich eine ganz neue Bedeutung pathologischer Veränderungen im Nervenwasser, die möglicherweise Gehirnfunktionen beeinflussen.
Die Arbeit wurde im Journal "Annals of Neurology" publiziert und von der Neurologischen Universitätsklinik Düsseldorf (Direktor: Prof. Hans-Peter Hartung) in Kooperation mit der Arbeitsgruppe um Prof. Mario Siebler (ehemals neurologische Klinik Düsseldorf, aktuell MediClin, Fachklinik Rhein/Ruhr, Essen) und Prof. Alfons Schnitzler (Institut für Klinische Neurowissenschaften und Medizinische Psychologie, Düsseldorf) durchgeführt. Eine Aufforderung zur Weiterentwicklung dieser Technologie kommt aktuell auch von der EuroTrans-Bio-Initiative im Rahmen des 7. EU Forschungsrahmenprogramms, die eine Unterstützung von insgesamt knapp 800.000 Euro empfiehlt. In diesem Projekt soll die beschriebene bio-elektronische Hybrid-Technologie auf der Grundlage humaner induzierter pluripotenter Stammzellen weiterentwickelt werden.
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