Im Labor gewachsene menschliche Retina enthüllt die Schlüssel zum Farbsehen

In einem Labor an der Johns Hopkins University wachsen kleine menschliche Augen in einer Schale. Wachsende Augenflecken sind zwar ein technisches Wunder, aber diese Kreation hat einen zusammengesetzten Zweck. In einer neuen Studie in der Zeitschrift veröffentlicht Wissenschaft Wissenschaftler erzeugten diese Organoide, um zu verstehen, warum wir Farbe sehen können, und um zu lernen, wie man Menschen helfen kann, die dies nicht können.

Wenn man an ein Auge denkt, denkt man wahrscheinlich an die volle, knollige Form - die Linse, eine Iris; der Glaskörper Diese retinalen Organoide sind das nicht. Technisch gesehen handelt es sich dabei um Retina, die aus menschlichen Stammzellen gezüchtet wurde - Flecken des weißen Gewebes, das den hinteren Teil des Auges auskleidet.

In der Studie, die am Donnerstag veröffentlicht wurde, verraten Johns Hopkins University-Studentin Kiara Eldred und ihr Team, warum diese Netzhaut so wichtig ist. Menschen haben drei Arten von Farberkennungszellen, kegelförmige Fotorezeptoren, die rotes, grünes oder blaues Licht erfassen. Aber die Mechanismen, warum dies so ist, wurden noch nicht vollständig verstanden. Hier entdeckte das Team, dass sich zuerst blaue, später rote und grüne Zellen entwickeln. Das Timing dieser Zellformationen zu lernen, war ein neuartiger Befund - und es war sinnvoll, wenn man bedenkt, dass wir und andere Primaten etwas haben, das als trichromatisches Farbsehen bezeichnet wird.

„Als Wissenschaftler denke ich, dass Sie eine Leidenschaft für das, was Sie tun, und eine Verbindung zu Ihrem Organismus haben müssen“, erzählt der Organoid-Schöpfer Eldred Inverse. „Ich habe mich anfangs jeden Tag um die Organoide gekümmert und dann, wenn sie älter wurden, jeden zweiten Tag. Im Labor bezeichnen meine Mitautoren und ich sie alle als unsere Babys, weil wir die ganze Zeit für sie sorgen müssen. “

„Die meisten Säugetiere können nur in zwei Farbspektren sehen - sie sehen nur Blau und Grün“, erklärt Eldred. „Wir können Blau, Grün und Rot sehen. Aufgrund der Farbsicht können wir viele umfassende Informationen über die Welt um uns herum erhalten."

Es wird spekuliert, dass Primaten wie Schimpansen und Menschen Rot sehen können, weil die frühen Hominins reifen Früchte zwischen grünen Blatthintergründen finden konnten. Inzwischen sehen andere Säugetiere wie Hunde und Katzen weniger und schwächere Farben.

Die Erkenntnis, dass etwas den Zeitpunkt des Wachstums von blauen, roten und grünen Zellen bestimmt, war ebenfalls ein Rätsel: Welcher Mechanismus hat die Entstehung dieser drei Arten von Zapfenzellen verursacht? Um es herauszufinden, nachdem Stammzellen dazu gebracht wurden, sich in Netzhautgewebe zu verwandeln - ein Prozess, bei dem die Wissenschaftler manchmal Gehirngewebe und Netzhautgewebe herstellen, da Photorezeptoren technisch gesehen Neuronen sind - begannen die Forscher, eine Reihe von Zellen zu testen Gene, die an der Funktion des Schilddrüsenhormons beteiligt sind, das am Zellwachstum und der Zelldifferenzierung beteiligt ist.

In früheren Arbeiten zu Mäusen, Fischen und Hühnern wurde vermutet, dass bei einer niedrigen Schilddrüsenhormonfunktion blaue Zellen entstehen und wenn sie hoch sind, dann folgen rote und grüne Zellen.Das erwies sich als richtig: Mit CRISPR haben die Forscher den Rezeptor für das Schilddrüsenhormon ausgeschlagen und Retina-Organoide mit nur blauen Zellen gebildet. Nachdem sie das Hormon wieder zugegeben hatten, erzeugten sie Organoide mit nur roten und grünen Zellen.

Dies geschah, obwohl die Schilddrüse überhaupt nicht betroffen war - die einzigen Gegenstände in der Schale waren die Retina-Organoide. Nachdem sie untersucht hatten, welche Gene in einem Jahr organoidischer Entwicklung ein- oder ausgeschaltet wurden, stellten sie fest, dass ihre Hypothese zutreffend war: Gene, die das Schilddrüsenhormon abbauen, waren früh im Einsatz, um blaue Zellen zu bilden, und Gene, die das Schilddrüsenhormon aktivieren, bildeten später Rot und grüne Zellen.

Im Wesentlichen ließen die Wissenschaftler die Organoide auf verschiedene Weise farbenblind werden. Dies legt nahe, dass diese Forschung bei der Entwicklung therapeutischer Behandlungen hilfreich sein könnte, um Menschen zu helfen, die farbenblind sind oder an Makuladegeneration leiden, einer Augenkrankheit, die zu Sehverlust führt. Derzeit helfen die Wissenschaftler bei der Makuladegeneration, Stammzellen in die Netzhaut zu injizieren, die eine Art Degeneration aufweisen. Die Wirksamkeit dieses Prozesses war jedoch unvorhersehbar. Das Ziel ist nun, dass Wissenschaftler lernen können, wie sie die Zellen therapeutisch einsetzen können, indem sie den Weg der Differenzierung der Zapfenzellen lenken können.

"Wir hoffen, dass wir mit unserer Forschung andere Forscher darüber informieren können, wie sie Kegelzellen speziell erzeugen können", sagt Eldred. „In zukünftigen Experimenten können wir diese Zellen vielleicht mitnehmen, injizieren und mehr von ihnen werden zu Photorezeptoren, die tatsächlich eine regenerative Behandlung ermöglichen. Jedes Mal, wenn ich sehe, wie die Organoide den richtigen Weg eingeschlagen haben, ist das aufregend und faszinierend."