Wenn die Haarzellen im Innenohr beschädigt werden, ist das nach heutigem Stand irreversibel. Aber muss das so bleiben? Um unter anderem das zu erforschen, haben Forscher ein künstliches Ohr entwickelt – Ein 3D-gedrucktes Hybrid-System aus Stammzellen und Computerchips, das in der Lage ist, die frühe Entwicklung von Gewebe nachzuahmen.
Forscher untersuchen die Regenerationsfähigkeit der Cochlea
An der University of Miami Miller School of Medicine arbeitet ein Team daran, die Entwicklung des menschlichen Innenohrs im Labor nachzubilden. Ziel ist es nicht nur, diese hochkomplexe Entstehung besser zu verstehen, sondern langfristig auch die Frage zu beantworten, ob sich Haarzellen möglicherweise wieder regenerieren lassen. Dafür nutzen die Forschenden ein sogenanntes „Organ-on-a-chip“-System, konkret ein Organoid-Modell, das aus menschlichen Stammzellen gewonnen wird und die frühe Entwicklung von Gewebe nachahmt.
Der Ansatz ist technisch anspruchsvoll, folgt aber einem biologisch klaren Prinzip. Im Embryo entsteht das Innenohr nicht zufällig, sondern entlang fein abgestufter chemischer Signale. Diese sogenannten Morphogengradienten bestimmen, welche Zellen sich zu welchen Strukturen entwickeln. Genau dieses Prinzip versuchen die Forschenden im Labor nachzubauen.
Das Organoid wird in eine mikroskopisch kleine Kammer eingebracht, die von zwei parallelen Mikrokanälen flankiert wird. Jeder dieser Kanäle liefert eine andere chemische Umgebung. Auf diese Weise entsteht ein kontrolliertes Gefälle an Signalmolekülen, das die frühe embryonale Situation simuliert.
Lebensnahe Erforschung des Hör- und Gleichgewichtssinns
Eine Seite des Systems ist darauf ausgelegt, die Entwicklung der Hörschnecke, der Cochlea, zu fördern. Die andere Seite begünstigt eher die Ausbildung von Strukturen des Gleichgewichtsorgans. In dieser künstlich erzeugten Spannung zwischen zwei Entwicklungsrichtungen soll das Organoid beginnen, sich ähnlich zu organisieren wie ein echtes Innenohr im frühen Embryo.
Der entscheidende Punkt ist dabei nicht nur die Bildung von Gewebe, sondern die Frage, ob sich auch funktionell relevante Haarzellen korrekt ausbilden lassen, insbesondere jene der Cochlea, die im Labor bislang deutlich schwieriger zu erzeugen sind als jene des vestibulären Systems.
Können sich kaputte Haarzellen theoretisch regenerieren?
Während der Entwicklungsaspekt im Zentrum steht, verfolgt das Projekt gleichzeitig eine zweite, langfristig besonders relevante Fragestellung: die mögliche Regeneration von Haarzellen. Hier richtet sich der Blick vor allem auf das Gleichgewichtsorgan, weil es Hinweise darauf gibt, dass dort unter bestimmten Bedingungen zumindest eine begrenzte Neubildung von Sinneszellen stattfinden kann. Das steht im deutlichen Gegensatz zur Cochlea, in der einmal verlorene Haarzellen beim Menschen praktisch nicht ersetzt werden.
Die Forschenden untersuchen deshalb nicht nur, wie diese Zellen entstehen, sondern auch, warum ihre Regeneration im Regelfall blockiert ist. Im Fokus stehen dabei epigenetische Mechanismen, also Steuerprozesse oberhalb der eigentlichen DNA-Sequenz. Dazu gehört etwa die DNA-Methylierung, die beeinflusst, welche Gene aktiv sind und welche nicht. Solche Schalter können darüber entscheiden, ob eine Zelle in einen regenerativen Zustand zurückkehren kann oder in ihrer Spezialisierung „festgeschrieben“ bleibt.
Millionenfinanzierung für Grundlagenforschung der Cochlea
Finanziert wird das Projekt unter anderem durch einen mehrjährigen Forschungszuschuss der US-amerikanischen National Institutes of Health: Insgesamt rund 2,5 Millionen US-Dollar. Es handelt sich dabei ausdrücklich um Grundlagenforschung. Zwischen einem funktionierenden Organoid-Modell im Labor und einer klinischen Anwendung beim Menschen liegt ein weiter Weg, der noch viele Fragen offenlässt – biologisch, technisch und medizinisch.
Gleichzeitig zeigt dieser Ansatz sehr präzise, wie sich die Hörforschung verändert hat. Statt nur die Folgen von Hörverlust zu beschreiben oder zu kompensieren, wird zunehmend versucht, die zugrunde liegenden Entwicklungs- und Reparaturmechanismen selbst zu verstehen.
