Studie: Wie Viren der Gehirnentwicklung schaden

Viren können dem wachsenden Gehirn schaden

Dass manche Viren auch in das Gehirn vordringen und erhebliche kognitive Beeinträchtigungen verursachen können, wird aktuell an dem Beispiels des Coronavirus SARS-CoV-2 besonders deutlich. Es gibt zudem Viren, die zu schweren Störungen der Gehirnentwicklung führen können. In einer aktuellen Studie wurde nun deutlich, wie die Viren dem wachsenden Gehirn schaden.

Forschende des IMBA – Institut für Molekulare Biotechnologie der Österreichischen Akademie der Wissenschaften haben an sogenannten Organoiden untersucht, wie manche Viren schwere Fehlbildungen im menschlichen Gehirn auslösen können. Ziel war es, auch neue Therapieansätze gegen die Infektionen und deren Folgen zu entwickeln. Veröffentlicht wurden die entsprechenden Studienergebnisse in dem Fachmagazin „Cell Stem Cell“.

Viren nutzen die Zellen

Viren können unterschiedlichste Gewebestrukturen im menschlichen Organismus befallen, wobei Proteine auf der Virushülle wie Türöffner funktionieren, um ins Innere der Zelle zu gelangen und diese dann für ihre eigene Fortpflanzung zu nutzen. Fortan werden durch die Zelle nur noch andere Viren und keine eigenen Zellnachkommen mehr produziert, erläutert das Forschungsteam.

Kritische Phase für Infektionskrankheiten

Dies mache einige Virusinfektionen auch besonders kritisch für die menschliche Gehirnentwicklung. Denn in der Wachstumsphase entstehe „aus nur wenigen Vorläufern durch streng regulierte Teilungen ein unglaubliches Netzwerk verschiedenster Nervenzell-Arten, das letztendlich an die 87 Milliarden Nervenzellen umfasst.“ Können infizierte Zellen nicht mehr ihrer normalen Funktion nachkommen, kann dies daher weitreichende Folgen haben.

„Fehler während dieser Entwicklung, etwa durch genetische Mutationen, aber auch Virenbefall sind besonders fatal – schwere Fehlbildungen im Gehirn können die Folge sein“, berichtet das IMBA. Für werdende Mütter sei daher besondere Vorsicht vor gewissen Infektionserregern wie beispielsweise Toxoplasma gondii, Röteln-Viren, CMV und Herpes-simplex-Viren (HSV) geboten.

„Zuletzt wurde im Zuge einer ZIKA Epidemie in Brasilien der Zusammenhang mit Mikrozephalie deutlich: Babys, die im Mutterleib einer ZIKA Infektion ausgesetzt waren, kamen häufig mit einem viel zu kleinen Gehirn auf die Welt“, erläutert das Forschungsteam.

Untersuchung an Gehirn-Organoide

Bislang sei es allerdings nicht möglich, den Einfluss bestimmter Viren auf die Gehirnentwicklung systematisch am Menschen zu untersuchen. Die Gehirn-Organoide, welche aus menschlichen Stammzellen gezüchtet wurden, erlaubten den Forschenden jedoch, den Einfluss von Infektionen auf die menschliche Gehirnentwicklung neu zu beleuchten und innovative Therapien zu testen, berichtet das IMBA. Die einzigartige Technologie hierfür wurde an dem Institut entwickelt.

Für die Gehirn-Organoide können von jedem Menschen beispielsweise aus einem kleinen Stück Haut oder einer Blutprobe die erforderlichen Stammzellen gewonnen werden, erläutern die Forschenden. Hierfür werden die Körperzellen chemisch zu Stammzellen „verjüngt“, so dass sogenannte „induziert pluripotenten Stammzellen (iPS-Zellen)“ entstehen. Mit diesen lassen sich Prozesse der frühen menschlichen Gehirnentwicklung nachahmen, berichtet das Team.

Welche Auswirkungen hat der Virusbefall

An den menschlichen Gehirn-Organoiden untersuchten die Forschenden, wie sich der Virenbefall durch ZIKA und das Herpes Simplex Virus (HSv-1) auf die Gehirnentwicklung auswirkt. Dabei kommen unterschiedliche Mechanismen zum Tragen und „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“, erläutert die Erstautorin der Studie, Veronika Krenn vom IMBA.

„Wenn man unter die Oberfläche blickt, lassen sich unterschiedliche strukturelle Defekte, charakteristische Transkriptionsprofile und Antworten auf Zellebene feststellen“, so Krenn weiter. Die Interaktionen mit dem Immunsystem seien für jedes Virus einzigartig.

Bei Herpesviren sei bekannt, dass sie von der werdenden Mutter auf das ungeborene Baby übertragen werden können, was zu Sepsis und schweren Defekten im Neuroepithel, einer inneren Gehirnregion führen könne. Zwar seien derartige Fälle „sehr selten, aber fatal.“ Weiterhin mangele es an „antiviralen Medikamenten für Erreger, die das menschliche Gehirn befallen können”, betont Krenn. Die Forschenden hoffen, dass auch hierbei die Organoide helfen können.

Modellsystem zur Untersuchung neuer Therapien

So seien die Gehirn-Organoide ein „ideales Modellsystem, um die Entwicklung neuer Therapien gegen Viren, die das menschliche Gehirn befallen, anzutreiben.“ Beispielsweise konnten die Forschenden bei Herpes infizierten Gehirn-Organoiden durch die Gabe von Interferon Typ 1 Fehlbildungen verhindern, so die Mitteilung des IMBA.

Dank dieser Technologie werde es in Zukunft möglich sein, eine Vielzahl neuer Substanzen gegen Vireninfektionen des menschlichen Gehirnes auszutesten. Dies sei auch für die Krebsmedizin interessant. So könnten sogenannte Onkolytische Viren untersucht werden, die zum Einsatz kommen, um Tumorzellen zu töten, indem sie diese gezielt infizieren und bekämpfen.

„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“, so das Fazit des wissenschaftlichen Direktors am IMBA, Professor Dr. Jürgen Knoblich. (fp)