Vor der Geburt: Wenn Viren in die Entwicklung des Gehirns eingreifen

Das Kind zu schützen, hat für den schwangeren Körper höchste Priorität. Jedoch gibt es Viren, die trotzdem die Barrieren durchbrechen und gerade für ungeborene Babys gefährlich werden können. Die Wirkungsweisen dieser Erreger zu untersuchen, war allerdings bisher nicht möglich. Doch nun fanden Forschende einen Weg, die Infektionsprozesse zu ergründen – außerhalb des menschlichen Körpers.

Wie Viren die Entwicklung stören

Viren brauchen Wirte, um sich zu vermehren. Daher kapern sie Zellen, um diese für die Produktion ihrer Nachfahren zu nutzen. Das ist bei einem Organ besonders kritisch: Das Gehirn entwickelt aus nur wenigen Vorläufern komplizierteste Strukturen und eine Fülle an Zellarten. Am Ende stehen circa 87 Milliarden Nervenzellen, die uns unsere täglichen und auch nicht-so-alltäglichen Herausforderungen meistern lassen. Dabei passiert in der Gebärmutter der größte Teil der Entwicklung. Wird dieser Prozess gestört, etwa durch genetische Mutationen oder durch Virenbefall, können die Folgen schwerwiegend sein.

Modell-Gehirne aus Blutproben

Es gibt diverse Erreger, die sogenannten TORCH-Pathogene, vor denen Schwangere sich in Acht nehmen müssen: Toxoplasma Gondii, Röteln-Viren, Zytomegalievirus (CMV), Herpes-Simplex-Viren (HSV) und das ZIKA-Virus, das zuletzt 2016 in Lateinamerika verbreitet war. Leider ließen sich die Auswirkungen von Viren auf die Gehirnentwicklung bisher nicht erforschen. Doch einem Team des Instituts für Molekulare Biotechnologie der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (IMBA) gelang nun eine bahnbrechende Erfindung. Sie schafften es, sogenannte Gehirn-Organoide zu züchten. Dafür nahmen sie Zellen aus Blutproben und verjüngten diese chemisch zu Stammzellen. Die Prozesse, die sich daraus entwickeln, dienten als Imitat der frühen menschlichen Gehirnentwicklung. An diesen Modellen untersuchten sie den Einfluss von Infektionen auf das bedeutende Organ.

Unterschiedliche Mechanismen aufgedeckt

In der aktuellen Studie untersuchten die Forschenden die Auswirkungen von ZIKA- und Herpes-Simplex-Infektionen. Dass sie die Entwicklung des Gehirns beeinflussen, war bekannt. Welche Mechanismen jedoch genau dafür verantwortlich sind, galt es zu ergründen. Dabei zeigten sich Unterschiede: „Das Zikavirus wirkt sich beispielsweise auf das Wachstum aus – Die Vorläuferzellen werden geschädigt und bilden zu wenig Zellnachkommen aus und das Gehirn bleibt viel zu klein”, erklärt Veronika Krenn, Postdoktorandin am IMBA und Erstautorin der Publikation. “Wenn man aber unter die Oberfläche blickt, lassen sich unterschiedliche strukturelle Defekte, charakteristische Transkriptionsprofile und Antworten auf Zellebene feststellen – die Interaktionen mit dem Immunsystem sind für jedes Virus einzigartig.” Bei Herpes wiederum kann eine Infektion zu Sepsis und schweren Defekten im Neuroepithel, einer Struktur des Gehirns in der pränatalen Entwicklung, führen. Diese Folgen sind zwar selten, aber fatal. Leider gibt es bisher kaum Medikamente gegen Viren, die das Gehirn befallen können.

Organoide ebnen Weg zu neuen Therapien

Die Technologie ist auch ein wichtiger Schritt, um Therapien zu entwickeln, die das ungeborene Kind schützen und eine normale Entwicklung des Gehirns ermöglichen. Dafür bieten die Gehirn-Organoide ein ideales Testobjekt. Dank ihnen konnte das Forschungsteam bereits ein Medikament ausfindig machen, welches als Schutzschild vor Herpes-Simplex-Viren fungiert: Der Wirkstoff Interferon Typ 1 konnte die Modelle erfolgreich vor Fehlbildungen bewahren. „Indem wir Organoide gezielt mit Viren infizieren, können wir nicht nur enorm viel über die typisch menschlichen komplexen Wechselwirkungen während der kritischen Gehirnentwicklung lernen. Wir werden auch besser gezielt nach Schwachstellen dieser Viren suchen können, um Ansatzpunkte für neue Therapien zu finden“, resümiert Jürgen Knoblich, wissenschaftlicher Direktor am IMBA und Co-Autor der Studie.