Wie Zika-Virus Hirnentwicklung beeinflusst

    20. Februar 2017, 13:58
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    Deutsche Forscher erforschen die Mechanismen des Zika-Virus in molekularbiologisch veränderten Stammzellen

    Seit Herbst 2015 führt die Zika-Virus Epidemie vor allem in Süd- und Mittelamerika zu einer auffälligen Zunahme von Geburten von Babys mit einem viel zu kleinen Kopf, der sogenannten "Mikrozephalie". Der Zusammenhang zwischen der Zika-Infektion und der mit geistigen Behinderungen und anderen neurologischen Störungen einhergehenden Mikrozephalie wurde zwar allgemein anerkannt, ein wissenschaftlicher Beweis für die schädigende Wirkung von Zika auf die frühkindliche Hirnentwicklung fehlt jedoch bisher.

    In einem gemeinschaftlichen Forschungsprojekt haben nun Kölner Wissenschafter einen neuen Mechanismus aufgedeckt, wie der Zika-Virus zu den verursachten Missbildungen bei Neugeborenen von mit dem Virus infizierten Müttern beiträgt. Jay Gopalakrishnan, Olaf Utermöhlen und Martin Krönke vom Zentrum für Molekulare Medizin Köln, dem Institut für Medizinische Mikrobiologie, Immunologie und Hygiene sowie dem Deutschen Zentrum für Infektionsforschung (DZIF) haben menschliche Hautzellen zu neuronalen Stammzellen umprogrammiert und mit diesen ein 3-D-Experimentalmodell etabliert, welches die frühe Hirnentwicklung abbildet und so die schädigenden Wirkungen von Zika genauestens untersuchen lässt.

    Umprogrammierte Zellen

    Zika-Infektionen sind meist harmlos. Gefährlich werden sie, wenn Schwangere betroffen sind. Dann kann es zu Geburten mit schweren Schädel-Hirn-Missbildungen kommen. Weltweit suchen Forscher nach den Zusammenhängen, die hinter diesen Missbildung stecken. Besonders erschwert wurde diese Forschung durch ethische Probleme, die nahezu unüberwindlich scheinen – denn es geht um Mütter, die sich während der Schwangerschaft infizieren, und ihre ungeborenen Kinder.

    Einen Ausweg aus diesem Dilemma ermöglicht eine Methode, die nun im ZMMK etabliert wurde: Menschliche Hautzellen von gesunden Spendern wurden mithilfe molekularbiologischer Methoden im Reagenzglas zu sogenannten "induzierten pluripotententen Stammzellen" (ipSZ) umprogrammiert. Diese ipSZ wurden wiederum unter geeigneten Kulturbedingungen zu "neuronalen Vorläuferzellen" (nVZ) programmiert. Diese nVZ sind die Ausgangszellen für die gesamte weitere Entwicklung des Gehirns.

    Die Zusammenlagerung vieler nVZ unter definierten Kulturbedingungen führt zur Bildung dreidimensionaler, wenige Millimeter großer Hirnorganoide, die den frühen Verlauf der embryonalen Hirnentwicklung widerspiegeln. Diese "3-D-Hirnorganoide ermöglichen als Modellsystem im Reagenzglas Untersuchungen zur Auswirkung von Infektionen neurotroper Viren auf das humane embryonale Gehirnwachstum.

    Verfrühte Ausreifung der Nervenzellen

    In diesem experimentellen System haben die Kölner Wissenschafter beobachtet, dass die Infektion mit dem Zika-Virus zur frühzeitigen Ausreifung der nVZ zu reifen Nervenzellen führt. Obwohl diese verfrühte Ausreifung auf den ersten Blick harmlos erscheint, ist sie brisant für die weitere Entwicklung des Hirns. Denn durch die verfrühte, massenhafte Ausreifung von nVZ fehlen diese wichtigen Vorläuferzellen für das Größenwachstum der sich entwickelnden Hirnorganoide.

    Offenbar verursacht die Infektion mit dem Zika-Virus Defekte an den Zentrosomen, kleinen Zellorganellen, die die schnelle und präzise Zellteilung ermöglichen und eine wichtige Rolle bei der Expansion der neuralen Vorläuferzellen spielen.

    Für die Übertragbarkeit der Beobachtungen auf die epidemische Zika-Mikrozephalie in Südamerika ist von besonderer Bedeutung, dass die Infektionsversuche erstmals mit einem Zika-Virus Stamm durchgeführt wurden, der direkt aus einem betroffenen Fötus mit Mikrozephalie isoliert wurde. Hiermit ist ein überzeugender wissenschaftlicher Nachweis gelungen, wie Zika zur Mikrozephalie führt. (red, 20.2.2017)

    Originalpublikation:

    Recent Zika Virus Isolates Induce Premature Differentiation of Neural Progenitors in Human Brain Organoids

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