Stammzellen können Makuladegeneration behandeln

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 (Image: Pixabay CC0)

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Wissenschaftler der EPFL und des Karolinska-Instituts haben ein Protokoll zur Entwicklung menschlicher embryonaler Stammzellen zu Netzhautzellen zur Behandlung von Augenerkrankungen wie der altersbedingten Makuladegeneration getestet und bestätigt.

Mit zunehmendem Alter werden auch unsere Augen älter. Meistens bedeutet dies, dass wir unsere Sehkraft verändern und eine neue Brille benötigen, aber es gibt auch ernstere Formen altersbedingter Augenerkrankungen. Eine dieser Störungen ist die altersbedingte Makuladegeneration. Sie betrifft die Makula, d. h. den hinteren Teil des Auges, der es uns ermöglicht, scharf zu sehen und Details zu erkennen. Dies führt zu einer Unschärfe im zentralen Teil unseres Gesichtsfeldes.

Die Makula ist Teil der Netzhaut des Auges, die das lichtempfindliche Gewebe ist, das hauptsächlich aus den Sehzellen des Auges besteht: den zapfen- und stäbchenförmigen Photorezeptorzellen. Die Netzhaut enthält auch eine Schicht, die als retinales Pigmentepithel (RPE) bezeichnet wird. Dieses hat mehrere wichtige Funktionen, darunter die Absorption von Licht, die Entsorgung von Zellabfall und die Gesunderhaltung anderer Zellen im Auge.

Die RPE-Zellen ernähren und schützen auch die Photorezeptorzellen des Auges, weshalb eine der vielversprechendsten Behandlungsstrategien für die Makuladegeneration zu den vielversprechendsten gehört.altersbedingter Makuladegeneration darin besteht, die alternden und degenerativen RPE-Zellen durch neue Zellen zu ersetzen, die aus menschlichen embryonalen Stammzellen gezüchtet werden.

Wissenschaftler haben verschiedene Methoden zur Umwandlung von Stammzellen in RPE-Zellen vorgeschlagen, aber es ist nicht bekannt, wie die Zellen langfristig auf Reize reagieren. Während z. B. einige Protokolle nur wenige Monate dauern, können andere bis zu einem Jahr in Anspruch nehmen. Und dennoch verstehen die Wissenschaftler nicht genau, was in dieser Zeit passiert.

Gemischte Zellpopulationen

Keines der für klinische Studien vorgeschlagenen Differenzierungsprotokolle wurde langfristig auf einzelliger Ebene untersucht. Wir wissen, dass sie retinale Pigmentzellen erzeugen können, aber wie sich die Zellen zu diesem Zustand entwickeln, ist ein Rätsel", sagt Gioele La Manno, Forscher im Rahmen des Programms ELISIR (EPFL Life Sciences Independent Research).

Im Allgemeinen hat sich das Fachgebiet so sehr auf das Differenzierungsprodukt konzentriert, dass der eingeschlagene Weg manchmal vernachlässigt wurde, fügt er hinzu. Damit das Fachgebiet Fortschritte macht, ist es wichtig, die Aspekte der Dynamik dessen, was in diesen Protokollen geschieht, zu verstehen. Der Weg zur Reife könnte genauso wichtig sein wie der Endzustand, z. B. für die Sicherheit der Verarbeitung oder um die Zellreinheit zu verbessern und die Produktionszeit zu verkürzen.

Die Überwachung von Stammzellen bei ihrer Umwandlung in RPE-Zellen.

Gioele La Manno führt heute zusammen mit Professor Fredrik Lanner am Karolinska Institut (Schweden) eine Studie durch, um ein Protokoll zur Differenzierung menschlicher embryonaler Stammzellen in RPE-Zellen zu profilieren, das für den klinischen Gebrauch bestimmt ist. Ihre Forschung zeigt, dass das Protokoll sichere und wirksame Therapien auf der Grundlage pluripotenter Stammzellen für die altersbedingte Makuladegeneration entwickeln kann. Die Studie wird in der Zeitschrift Stem Cell Reports veröffentlicht, in der sie diesen Monat auf dem Titelblatt erscheint.

Mit Standardmethoden wie der quantitativen PCR und der Massen-RNA-Sequenzierung kann die durchschnittliche RNA-Expression großer Zellpopulationen erfasst werden, erklärt Alex Lederer, Doktorand an der EPFL und einer der Hauptautoren der Studie. In gemischten Zellpopulationen können diese Messungen kritische Unterschiede zwischen einzelnen Zellen verschleiern, die wichtig sind, um zu wissen, ob der Prozess richtig abläuft. Stattdessen verwendeten die Forscherinnen und Forscher eine Technik namens Einzelzell-RNA-Sequenzierung (scRNA-seq), die alle Gene aufspüren kann, die in einer einzelnen Zelle zu einem bestimmten Zeitpunkt aktiv sind.

Die Beobachtung von Zwischenzuständen

Mit Hilfe von scRNA-seq konnten die Forscherinnen und Forscher das gesamte Genexpressionsprofil einzelner humaner embryonaler Stammzellen während des gesamten Differenzierungsprotokolls, das insgesamt 60 Tage dauerte, untersuchen. Dadurch konnten sie nicht nur alle Übergangszustände einer Population während ihrer Umwandlung in retinale Pigmentzellen kartieren, sondern auch das Protokoll optimieren und das Wachstum von Nicht-RPE-Zellen stoppen, wodurch die Bildung kontaminierender Zellpopulationen verhindert wurde. Ziel ist es, gemischte Zellpopulationen zum Zeitpunkt der Transplantation zu vermeiden und sicherzustellen, dass die Zellen am Ende den ursprünglichen RPE-Zellen im Auge eines Patienten oder einer Patientin ähnlich sind", fährt Alex Lederer fort.

Sie fanden heraus, dass die Stammzellen während ihrer Umwandlung in RPE-Zellen einen Prozess durchlaufen, der der frühen Embryonalentwicklung sehr ähnlich ist. Während dieses Prozesses nahm die Zellkultur eine rostrale embryonale Modellierung vor, die das Neuralrohr des Embryos entwickelt, das zu seinem Gehirn und seinen sensorischen Systemen für Sehen, Hören und Schmecken werden wird. Nach dieser Modellierung begannen die Stammzellen, sich in RPE-Zellen zu verwandeln.

Die Transplantation von RPE-Zellen in ein Tiermodell.

Das Ziel des Differenzierungsprotokolls besteht jedoch darin, eine reine Population von RPE-Zellen zu schaffen, die in die Netzhaut von Patientinnen und Patienten implantiert werden können, um die Makuladegeneration zu verlangsamen. Das Team transplantierte daher die Zellpopulation, die durch scRNA-seq verfolgt worden war, in den subretinalen Raum von zwei weißen Albino-Kaninchen aus Neuseeland, was von den Wissenschaftlern auf diesem Gebiet als großäugiges Tiermodell bezeichnet wird. Die Operation wurde nach der Genehmigung durch die Ethikkommission für Tierversuche im Norden von Stockholm durchgeführt.

Die Arbeit hat gezeigt, dass das Protokoll nicht nur eine reine RPE-Zellpopulation erzeugt, sondern auch, dass diese Zellen auch nach der Transplantation in den subretinalen Raum weiter reifen können. Unsere Forschung zeigt, dass das Differenzierungsprotokoll sichere und wirksame Therapien auf der Basis pluripotenter Stammzellen für die Makuladegeneration entwickeln kann.Fredrik Lanner, der dafür sorgt, dass das Protokoll bald in den Kliniken eingesetzt werden kann, schließt ab.

Andere Mitwirkende

  • Novo Nordisk A/S
  • Universität von Kalifornien in San Francisco
Referenzen

Sandra Petrus-Reurer, Alex R. Lederer, Laura Baqué-Vidal, Iyadh Douagi, Belinda Pannagel, Irina Khven, Monica Aronsson, Hammurabi Bartuma, Magdalena Wagner, Andreas Wron, Paschalis Efstathopoulos, Elham Jaberi, Hanni Willenbrock, Yutaka Shimizu, J. Carlos Villaescusa, Helder André, Erik Sundström, Aparna Bhaduri, Arnold Kriegstein, Anders Kvanta, Gioele La Manno, Fredrik Lanner. Molecular profiling of stem cell-derived retinal pigment epithelial cell differentiation established for clinical translation. Stem Cell Reports 14 June 2022. DOI: 10.1016/j.stemcr.2022.05.005


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