Die bisherigen Methoden – unter anderem durch Aktivierung zellulärer Signalwege mittels Gentechnik oder Signalstoffen – konnten diese Vielfalt nicht annähernd abbilden.

Welcher Typ von Nervenzelle ist involviert?

„Aus Stammzellen hergestellte Neuronen werden regelmässig verwendet, um Krankheiten zu erforschen. Bisher haben Forschende dabei aber oft ignoriert, mit welchen Neuronentypen sie genau arbeiten“, sagt Barbara Treutlein, Professorin am Departement für Biosysteme der ETH Zürich in Basel. „Wenn man Zellkulturmodelle für Krankheiten wie Alzheimer, Parkinson oder Depressionen entwickeln will, muss man berücksichtigen, welcher Typ von Nervenzelle in die Krankheit involviert ist.“

Systematisches Screening mit Morphogenen

In ihrer aktuellen Studie gelang es dem Team um Treutlein, über 400 unterschiedliche Nervenzelltypen zu erzeugen. Grundlage waren umprogrammierte menschliche Stammzellen aus Blutzellen. Die Forschenden aktivierten in diesen Zellen gezielt Steuerungs-Gene und behandelten sie mit Morphogenen – Signalmolekülen, die aus der Embryonalentwicklung bekannt sind.

In einem systematischen Ansatz testeten die Wissenschaftler:innen sieben verschiedene Morphogene in variierenden Kombinationen und Konzentrationen. So entstanden knapp 200 unterschiedliche Versuchsbedingungen.

Hintergrund Morphogene

Morphogene definieren durch ihre ungleichmäßige Verteilung im Embryo die Position von Zellen – etwa in Bezug auf die Körperachse oder bestimmte Regionen wie Kopf oder Rücken. Damit legen sie fest, welche Strukturen sich wo entwickeln.

Typisierung durch Einzelzellanalysen

Ob tatsächlich unterschiedliche Zelltypen entstanden waren, überprüften die Forschenden durch umfassende Analysen: Sie untersuchten die Genaktivität auf Einzelzellebene, das Aussehen der Zellen, ihre Fortsätze sowie ihre elektrischen Eigenschaften. Anschließend wurden die Daten mit Referenzdatenbanken menschlicher Neuronen abgeglichen.

So konnten die Wissenschaftler:innen bestimmen, ob es sich etwa um Nervenzellen aus dem Gehirn oder dem peripheren Nervensystem handelte – und welche Funktionen diese übernehmen, etwa Schmerz- oder Bewegungssignale zu verarbeiten.

Perspektiven für Krankheits- und Wirkstoffforschung

Zwar konnten noch nicht alle bekannten Nervenzelltypen hergestellt werden, doch mit über 400 Subtypen stellt die Studie einen neuen Meilenstein dar. Die in vitro gewonnenen Neuronen sollen künftig für die Entwicklung von Zellkulturmodellen für neurologische Erkrankungen wie Schizophrenie, Alzheimer, Parkinson, Epilepsie, Schlafkrankheiten oder Multiple Sklerose genutzt werden.

Darüber hinaus könnten die Zellmodelle auch in der pharmazeutischen Forschung eingesetzt werden – etwa um neue Wirkstoffe ohne Tierversuche zu testen.

Eine weitere mögliche Anwendung ist die Zellersatztherapie, bei der geschädigte Nervenzellen im Gehirn durch im Labor gezüchtete, gesunde menschliche Zellen ersetzt werden.

Nächste Schritte

Ein noch zu lösendes Problem besteht darin, dass in den Experimenten bislang oft Mischungen verschiedener Zelltypen entstanden. Ziel der Forschenden ist es nun, die Methode so zu verfeinern, dass pro Bedingung jeweils nur ein genau definierter Nervenzelltyp entsteht. Erste Lösungsansätze gibt es bereits.

Originalpublikation:
Lin, H. C., Janssens, J., Eisinger, B., Hornauer, P., Kroell, A. S., Santel, M., Pascual-Garcia, M., Okamoto, R., Karava, K., He, Z., Priouret, M., Schröter, M., Camp, J. G., & Treutlein, B. (2025). Human neuron subtype programming via single-cell transcriptome-coupled patterning screens. Science. DOI: 10.1126/science.adn6121

Quelle: Eidgenössische Technische Hochschule Zürich