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Top 10 faszinierende Dinge, die in einem Labor wachsen
Zweifellos hat die Wissenschaft in den letzten 100 Jahren unglaubliche Durchbrüche erzielt. Dies gilt insbesondere in der Medizin und in der Biotechnik. Von lebensrettenden Impfstoffen bis zu revolutionären Operationen hat die Wissenschaft unsere Lebensqualität erheblich verbessert.
Fortschritt erfordert, dass Forscher neue Lösungen für uralte Probleme entwickeln. Hinter jeder medizinischen Entdeckung steckt ein Labor voller faszinierender Ideen. Manchmal werfen diese Experimente ethische Fragen auf. Meist sind es jedoch interessante Ansätze für lästige Probleme.
Und welche Lösung ist kreativer, als in einem Labor von Grund auf etwas aufzubauen? Hier sind 10 faszinierende Gegenstände aus dem Labor, die wir vielleicht nicht erwartet hätten.
10 Schweineknochen
Im Jahr 2016 implantierten Forscher in den USA 14 künstliche Yucatan-Minischweine erfolgreich im Labor konstruierte Knochen. Keines der Schweine lehnte die neuen Organe nach der Operation ab. Ganz im Gegenteil. Die Blutgefäße in den Laborknochen integrierten sich nahtlos in die bereits bestehenden Kreislaufsysteme der Schweine.
Wie war das alles möglich?
Um den Prozess zu beginnen, scannten die Wissenschaftler die Kieferknochen der Schweine und kartierten ihre Strukturen. Sie schufen dann aus Kuhknochen passende zellfreie Gerüste. Diese Strukturen wurden mit den Stammzellen der Schweine injiziert und in eine nährstoffreiche Lösung eingetaucht. Das Ergebnis war voll funktionsfähiger, lebender Knochen.
9 Rattenglied
Forscher des Massachusetts General Hospital machten 2015 Neuigkeiten, als sie in ihrem Labor eine ganze Ratte für den Vorderbein züchteten. Es war das erste erfolgreiche Projekt dieser Art weltweit.
Die Bemühungen wurden von Dr. Harold Ott geleitet, der auch das Ott-Labor für Orgeltechnik und Regeneration leitet. Ihr Experiment führte auch dazu, dass das Muskelgewebe bereits nach 16 Tagen funktionierte.
So haben sie es gemacht:
Dr. Ott und sein Team nahmen ein lebendes Rattenbein und entfernten alle Zellen. Dieser Vorgang wird als Dezellularisierung bezeichnet. Nachdem alle lebenden Zellen entfernt worden waren, hatten die Wissenschaftler ein Proteingerüst für die Extremität.
Anschließend injizierten sie diese Struktur mit lebenden Zellen, die innerhalb weniger Wochen Muskelgewebe und Blutzellen bildeten. Um die Funktionalität der im Labor gezüchteten Gliedmaßen zu testen, hat das Team kleine elektrische Ladungen auf das Muskelgewebe aufgebracht.
Das Ergebnis? Die Muskeln in der Extremität zogen sich genau so zusammen wie natürlich gewachsene Organe.
8 Hamburger
Der Spitzname „schmeat“ war der erste im Labor gewachsene Burger der Welt, der 2013 in London debütierte. Er wurde in den Niederlanden von Dr. Mark Post, Professor für Gefäßphysiologie, gegründet. Sein Ziel war es, Fleisch herzustellen, das nicht wie bei traditionellen Fleischquellen "übermäßiges Leiden und Umweltschäden" verursacht hat. Das Projekt dauerte fünf Jahre und 325.000 US-Dollar.
Nach seinem Erfolg gründete Post Mosa Meats. Andere Unternehmen nutzten auch die Chance, eigenes Fleisch aus eigener Produktion zu produzieren. Memphis Meats, ein Start-up in San Francisco, hat 2016 im Labor gewachsene Fleischbällchen kreiert. Außerdem wurden Hühnchenstreifen angebaut - eine Weltneuheit.
Es wird jedoch davon ausgegangen, dass diese nicht bis 2021 für die Öffentlichkeit verfügbar sind. Eine andere kalifornische Firma, Hampton Creek, enthüllte Pläne, im Labor gewachsenes Fleisch bis 2018 auf den Markt zu bringen.
7 Mensch-Schwein-Embryo
In Spanien und La Jolla, Kalifornien, hat eine Gruppe von Wissenschaftlern des Salk Institute erfolgreich menschliche Zellen in einem Schweineembryo gezüchtet. Ziel der Forschung ist es, schließlich ganze menschliche Organe, die für Transplantationen verwendet werden, in anderen Tieren zu züchten. Wissenschaftler bei Salk haben bereits mehrere Rattenorgane in Mäuseembryonen gezüchtet. Diese Forschung hat jedoch einige ethische Fragen aufgeworfen.
Im Jahr 2015 stellten die USA die Finanzierung der Intimspezies-Chimärenforschung mit Steuergeldern ein. In der Genetik ist eine Chimäre ein natürlich vorkommendes Phänomen, bei dem ein einzelner Organismus zwei oder mehr unterschiedliche DNA-Sätze aufweist.
Eine Interspezieschimäre enthält jedoch DNA von zwei oder mehr Arten. Dies hat Bedenken darüber aufgeworfen, ob Schweine oder andere mit menschlichen Zellen implantierte Tiere menschliche Gehirnfunktionen entwickeln werden.
Juan Carlos Izpisua Belmonte und sein Team haben erklärt, dass sie darauf abzielen, "Wege zu testen, wie man menschliche Zellen auf die Herstellung bestimmter Gewebe konzentriert und dabei keinen Beitrag zum Gehirn, zum Sperma oder zu den Eiern leistet".
6 Mäusesperma
Im Jahr 2016 produzierten Wissenschaftler am Institut für Zoologie der Chinesischen Akademie der Wissenschaften lebende Mäusespermien aus Stammzellen. Dazu extrahierten sie Stammzellen aus Mäusen und brachten sie in neugeborene Mäuse in Hodenzellen.
Qi Zhou und Xiao-Yang Zhao, der das Experiment leitete, setzten die Stammzellen auch mehreren Chemikalien aus, die an der Spermienentwicklung beteiligt waren. Dazu gehören Testosteron, ein Hormon, das das Follikelwachstum induziert, und ein wachstumsinduzierendes Hormon aus der Hypophyse.
In etwa zwei Wochen hatten die Wissenschaftler voll funktionsfähige Samenzellen entwickelt. Sie implantierten das Sperma in lebensfähige Eier und übertrugen die Zygoten auf weibliche Mäuse.
Aus diesem Experiment wurden neun Mauswelpen geboren, von denen sich einige später selbst reproduzierten. Obwohl noch nicht so effizient wie die künstliche Befruchtung mit natürlichen Spermien (3% Erfolgsrate im Vergleich zu 9%), ist diese Forschung vielversprechend für zukünftige Fruchtbarkeitsbehandlungen.
5 Blutstammzellen
Zwei separate Teams von Wissenschaftlern entwickelten neuartige Ansätze zur Herstellung von Blutstammzellen. Ein Team aus dem Boston Children's Hospital wurde von George Daley geleitet. Diese Gruppe begann mit menschlichen Hautzellen und „umprogrammierte“ sie zu iPS-Zellen (induzierter pluripotenter Stamm). Eine iPS-Zelle ist eine künstlich hergestellte, universelle Stammzelle.
Daleys Team injizierte den iPS-Zellen dann Transkriptionsfaktoren, dh Gene, die zur Kontrolle anderer Gene bestimmt sind. Anschließend wurden die modifizierten iPS-Zellen zur Entwicklung in Mäuse implantiert. (Wenn Sie den Überblick behalten, werden diese Mäuse zu Chimären.)
Nach 12 Wochen hatten diese Forscher etwas geschaffen, das lediglich eine Vorstufe zu Blutstammzellen war. Der zweiten Mannschaft ging es jedoch noch besser.
Im Weill Cornell Medical College haben Shahin Rafii und sein Team die Erstellung von iPS übersprungen. Stattdessen nahmen sie Zellen aus Blutgefäßen in erwachsenen Mäusen und injizierten ihnen vier Transkriptionsfaktoren. Dann beförderten sie die Zellen in Petrischalen, die so ausgestattet waren, dass sie die Umgebung in einem menschlichen Blutgefäß wiederherstellten.
Diese Zellen verwandelten sich in Blutstammzellen. Die Stammzellen dieses Experiments waren so leistungsfähig, dass sie eine Gruppe von Mäusen, die aufgrund von Bestrahlungsbehandlungen an einer niedrigen Blutkörperchenzahl litten, vollständig heilte.
4 Apfelohren
Der kanadische Biophysiker Andrew Pelling und sein Team an der University of Ottawa haben 2016 erfolgreich menschliches Gewebe mit Äpfeln gezüchtet. Mit einer Dezellularisierungsmethode, um vorhandene Zellen aus dem Apfel zu entfernen, blieb ihnen das Zellgerüst des Apfels zurück. Übrigens, diese Zellulose gibt Äpfeln befriedigendes Knirschen.
Pelling und sein Team schnitten ein ohrförmiges Stück zellfreien Apfel aus und injizierten es mit menschlichen Zellen. Die Zellen besiedelten die Struktur und bildeten eine Ohrmuschel (den äußeren Teil des Ohrs).
Die Motivation für das Experiment bestand darin, billigere Implantate herzustellen. Laut Pelling ist sein im Labor gezüchtetes Material auch weniger problematisch als herkömmliches biologisches Material für Implantate, die häufig von Tieren oder Leichen stammen.
Diese Technik ist nicht auf Äpfel beschränkt. Er hat auch versucht, seine Ergebnisse in Blütenblättern, Spargeln und anderem Gemüse nachzubilden.
3 Kaninchen Penis
Im Jahr 2008 begleitete Dr. Anthony Atala vom Wake Forest Institute for Regenerative Medicine eine Gruppe von Paarungskaninchen. Aber das war keine Gruppe von Kaninchen. Alle Männer hatten im Labor gewachsene Penisse bekommen, eine Idee, an der er seit 1992 gearbeitet hatte.
Von den 12 Kaninchen, die biotechnologisch hergestellte Penisse erhielten, versuchten alle, sich zu paaren. Acht der Kaninchen ejakulierten erfolgreich, und vier Kaninchen hatten Nachwuchs.
Bis 2014 hatten Atala und sein Team sechs menschliche Penisse entwickelt, in der Hoffnung, eine FDA-Zulassung für die menschliche Transplantation zu erhalten. Die Wissenschaftler untersuchten die im Labor gezüchteten Organe strengen Tests und zerrten und drückten sie mit einer Maschine, um sicherzustellen, dass sie dem täglichen Verschleiß standhalten.
Das Team richtete auch Maschinen ein, um Flüssigkeit durch die Organe zu pumpen, um sicherzustellen, dass sie mit Erektionen umgehen können. Bis zum Jahr 2017 hatte die US-amerikanische Food and Drug Administration die im Labor gezüchteten Organe nicht für die menschliche Transplantation in der Allgemeinbevölkerung zugelassen.
2 Vaginas
Dr. Anthony Atala und sein Team wuchsen in ihrem Labor auch menschliche Vaginas. Diese Organe wurden dann in vier Jugendlichen in Mexiko implantiert, die aufgrund einer Störung ohne Vagina geboren wurden.
Um die Organe zu bauen, nahm Atalas Team jedem Mädchen eine kleine Gewebeprobe. Dann erstellten sie ein maßgeschneidertes, biologisch abbaubares Gerüst und injizierten es mit Zellen, die aus den ursprünglichen Gewebeproben gezüchtet wurden.
Die erste dieser Operationen wurde im Jahr 2005 abgeschlossen. Follow-ups mit den Frauen zeigten keine langfristigen Komplikationen aufgrund der Operationen. Alle vier Frauen berichteten über ein normales Sexualverhalten. Allerdings haben nur zwei der Frauen Gebärmutter. Es ist unklar, ob die verbleibenden zwei Kinder gebären können.
1 Gehirnbälle
Sergiu Pasca von der Stanford University hat zwei Jahre lang ein Mini-Gehirn am Leben erhalten. Wissenschaftler bezeichnen es als zerebrales Organoid. Dieser kleine Klumpen von menschlichem Hirngewebe wurde nur etwa 4 Millimeter im Durchmesser aus Stammzellen gezüchtet. Mit den richtigen Hormonen können Forscher das Gewebe dazu bringen, sich zu Strukturen zu entwickeln, die fast Teile des Gehirns nachahmen.
Der größte Unterschied zwischen dem echten Deal und diesen Mini-Kollegen?
Die im Labor gezüchteten Gehirne haben keine Blutgefäße oder weißen Blutkörperchen und folgen keinen typischen Neuroentwicklungsmustern. Stattdessen reifen sie zum Äquivalent des ersten Trimesters der menschlichen Entwicklung. Zumindest ist dies bei zerebralen organoiden Neuronen der Fall.
Es gibt nichtneurale Zellen im Gehirn, die Astrozyten genannt werden, die in den im Labor gezüchteten Organoiden ihre volle Reife erreichen. Astrozyten sind Helferzellen, die nach Bedarf Verbindungen zwischen Neuronen herstellen und reduzieren. Sie stellen auch Verbindungen mit Blutgefäßen her, die in das Gehirn hinein und aus ihm heraus führen, und spielen eine entscheidende Rolle bei der Erkennung von Verletzungen.
Weitere Studien zu diesen Gehirnkugeln könnten dazu beitragen, die Mechanismen hinter der Lou-Gehrig-Krankheit und mehreren neurologischen Entwicklungsstörungen aufzudecken.