Im Labor Gezüchtete Menschliche Netzhäute Beleuchten, Wie Augen Das Farbsehen Entwickeln

Die Mini-Organe können Wissenschaftlern helfen, Therapien für Augenerkrankungen wie Farbenblindheit und Makuladegeneration zu entwickeln.

Das Sehen beginnt, wenn Licht von Oberflächen reflektiert wird und in unsere Augen eindringt. Die Muskeln unserer Pupillen steuern, wie viel Licht durchgelassen wird, und die klare Hornhaut und Linse biegen das Licht und fokussieren es auf die Netzhaut, einen dünnen Gewebestreifen, der mit Millionen lichtempfindlicher Neuronen oder Fotorezeptoren bedeckt ist.

In diesen Nervenzellen, die nach ihrer Form wie Stäbchen und Zapfen benannt sind, wird Licht in elektrische Signale umgewandelt und dann über den Sehnerv an die visuellen Zentren des Gehirns gesendet. Ein am 11. Oktober in Science veröffentlichtes Papier verwendet eine außerhalb des Körpers gewachsene Netzhaut, um zu zeigen, wie sich Zapfen zu Farbsensoren der Augen entwickeln.

Unsere Sicht am Tag hängt von den Zapfen ab, da sie am besten auf helles Licht reagieren (im Gegensatz zu den Stäben, die empfindlich auf schwache Beleuchtung reagieren). Es gibt drei Arten von pyramidenförmigen Zellen: Blau, Grün und Rot, die jeweils nach den Lichtfarben benannt sind, die sie erkennen können. Wir brauchen alle drei, um die vielen Farbtöne in unserer Umgebung wahrzunehmen. Die häufigste Ursache für Farbenblindheit, von der etwa 8 Prozent der Männer und 0,5 Prozent der Frauen nordeuropäischer Abstammung betroffen sind, ist ein angeborener Defekt der roten oder grünen Zapfen, der zu einem verminderten oder vollständigen Verlust der Sehfähigkeit der beiden führt Farben, die diese Zellen erkennen.

Robert Johnston, Entwicklungsbiologe an der Johns Hopkins University, und seine Kollegen wollten verstehen, wie genau sich entwickelnde Zellen im menschlichen Auge entscheiden, blau, grün oder rot zu werden. Frühere Forschungen hatten einige wichtige Hinweise geliefert, die zeigten, dass dieser Prozess schrittweise abläuft - zuerst kommen blaue Zellen, dann rote und grüne - und dass das Schilddrüsenhormon, ein Molekül, das von der Schilddrüse im Nacken ausgeschüttet wird, eine entscheidende Rolle spielt dieser Prozess. Viele dieser Studien wurden jedoch an Tieren wie Fisch, Huhn und Mäusen durchgeführt, da das Experimentieren mit menschlichem Gewebe eine offensichtliche ethische Herausforderung darstellt. Obwohl Forscher gespendete Netzhäute von verstorbenen Feten untersuchen können, ist es für einige Zeiträume der frühen Entwicklung nahezu unmöglich, Proben zu erhalten.

Um diese Einschränkung zu überwinden, entschied sich Johnstons Team, im Labor menschliche Stammzellen zu verwenden, um Mini-Netzhäute oder Netzhautorganoide zu züchten. Dann ließen sie diese Miniaturorgane neun Monate bis zu einem Jahr in einer Schale reifen. „Wir haben für sie im Grunde genommen die Zeit gezüchtet, die für die Geburt eines Babys benötigt wird“, sagt er.

Am Ende der Reifung sahen die Mini-Netzhäute bemerkenswert wie echte Menschen aus. Die Forscher fanden Ähnlichkeiten in der Form der Zapfenzellen, ihrer Verteilung im Gewebe und der Produktion verschiedener Proteine. Durch genaue Untersuchung der Zapfenzellen, während sie in den Organoiden der Netzhaut wuchsen, fand das Team zum ersten Mal im menschlichen Gewebe die Abfolge von Ereignissen, die die Entwicklung von Stammzellen zu den verschiedenen Arten von Zapfenzellen auslösten. Die Zellen verwandelten sich zuerst in blaue Zapfen - zwischen 11 und 34 Wochen nach dem Wachstum der Netzhaut - und kurz darauf erschienen die roten und grünen Zapfen. "Die [im Labor gewachsene] Netzhaut rekapituliert die menschliche Entwicklung sehr gut", sagt die Co-Autorin der Studie, Kiara Eldred, eine Doktorandin in Johnstons Labor. "Es war aufregend zu wissen, dass dies ein gutes System ist, um die menschliche Entwicklung zu untersuchen."

Sie fanden auch heraus, dass Schilddrüsenhormon benötigt wurde, um diesen Prozess zu aktivieren. Als die Forscher ein Gen-Editing-Tool verwendeten, um den Rezeptor zu entfernen, auf den das Hormon einwirkte, erstellten sie Mini-Retinas mit nur blauen Zellen. Andererseits stellten sie fest, dass die Zugabe von mehr Schilddrüsenhormon zu Beginn der Entwicklung dazu führte, dass die Organoide fast ausschließlich grüne und rote produzierten. "Das ist wirklich eine hervorragende Grundlagenbiologie", schrieb Thomas Reh, ein Biologe der Universität Washington, der nicht an der neuesten Studie beteiligt war, in einer E-Mail und fügte hinzu, dass diese Arbeit frühere Forschungen an Mäusen unterstützt. Mitte der neunziger Jahre berichteten Reh und andere über den ersten Beweis, dass Schilddrüsenhormon für die Zapfenentwicklung bei Mäusen und Hühnern entscheidend ist. In späteren Studien skizzierten die Forscher die Rolle dieses Moleküls bei der Bestimmung der tatsächlichen Verteilung von roten, blauen und grünen Zapfen über die Netzhaut. Es gab sogar eine gewisse Unterstützung für diese Beobachtungen bei Menschen - einige klinische Untersuchungen haben gezeigt, dass Frühgeborene mit niedrigen Schilddrüsenhormonspiegeln Farbsehstörungen entwickeln.

"Alle bisherigen Ergebnisse wurden [durch diese Studie] verifiziert", sagt Xi-Qin Ding, ein Zellbiologe am Health Sciences Center der Universität von Oklahoma, der ebenfalls nicht an dieser Arbeit beteiligt war. Sie fügt hinzu, dass Wissenschaftler auch festgestellt haben, dass Schilddrüsenhormon für die Aufrechterhaltung der Zapfen bei erwachsenen Tieren wichtig ist und dass ihr Labor festgestellt hat, dass die Unterdrückung der Aktivität dieses Hormons bei Mäusen die Nagetiere vor Netzhautdegeneration schützen kann.

Laut Johnston könnte diese Forschung dazu beitragen, zukünftige Therapien für Augenerkrankungen wie Farbenblindheit oder Makuladegeneration zu entwickeln, altersbedingte Schäden an der Netzhaut, die zu Sehverlust führen können. Organoide könnten nicht nur eine Plattform bieten, um diese Zustände genauer zu untersuchen, sondern die Tatsache, dass Wissenschaftler die Arten von Photorezeptoren kontrollieren können, die in der Netzhaut des Labors wachsen, bedeutet, dass es eines Tages möglich sein könnte, „diese Dinge direkt [in Patienten] zu transplantieren oder vorzuprogrammieren Stammzellen und lassen Sie sie zu den bestimmten Zellen heranwachsen, die wir wollen. “

Derzeit sieht Johnston das Auge, das viele Arten von Nervenzellen wie die verschiedenen Photorezeptoren und Ganglienzellen aufweist, als ideales Testfeld für eine breitere Untersuchung darüber, wie unser Körper verschiedene Arten von Neuronen erzeugt. "Jüngste Daten aus mehreren Gruppen legen nahe, dass es Hunderte von Neuronentypen nur im Auge gibt", sagt Johnston. "Für mich wäre es ein Traum, nur dazu beizutragen, zu verstehen, wie diese Neuronen hergestellt werden, und diese Konzepte hoffentlich auf andere Teile des Nervensystems zu übertragen."