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Mehr Durchblick dank Genatlas.
Text: Samuel Schlaefli
Basler Forschende konnten erstmals detailliert belegen, dass Retinagewebe, das sie mit induzierten pluripotenten Stammzellen gezüchtet hatten, als Modell für die Medikamentenforschung taugt. Grundlage für diesen Erfolg war eine enge Kooperation zwischen dem Institut für Molekulare und Klinische Ophthalmologie in Basel und der Universitätsklinik.
Vererbbare Augenerkrankungen, wie die Stargardt- Krankheit oder Retinitis Pigmentosa, galten lange Zeit als unheilbar. Bei Letzterer kommt es zu einer Zerstörung der Fotorezeptoren (Stäbchen und Zapfen) in der Netzhaut, auch Retina genannt. Das ist jenes hauchdünne Nervengewebe im hinteren Teil des Augapfels, auf dem Millionen von lichtempfindlichen Zellen, abhängig vom Licht, elektrische Impulse an das Hirn schicken, das daraus ein Bild erzeugt. Oft treten solche vererbbaren Retinaerkrankungen schon im Kinder- oder Jugendalter auf, und im schlimmsten Fall führen sie zu kompletter Erblindung.
Fehlende Experimentiermodelle
Die Erforschung der Ursachen solcher vererbbaren Augenkrankheiten sowie die Entwicklung von Therapien dafür bleiben bis heute schwierig. «Mäuse, das Standardmodell für Wirkstofftests in den Biowissenschaften, eignen sich nur bedingt», erklärt Dr. Cameron Cowan, Senior Researcher am Institut für Molekulare und Klinische Ophthalmologie (IOB). Das liegt unter anderem daran, dass Mäuse keine Fovea haben, den zentralen, für das scharfe Sehen verantwortlichen Teil der Retina, der bei vielen Augenkrankheiten als Erstes angegriffen wird. Die erste Wahl für Tests im Labor waren deshalb bislang freiwillig gespendete Retinagewebe von hirntoten Patienten. Doch solches ist rar: In der Schweiz gibt es rund 120 Spenden pro Jahr, die sich potenziell für solche Tests eignen könnten.
Deshalb arbeiten Forschende seit einigen Jahren an einem neuen Modell: Menschliche Zellen aus unterschiedlichem Gewebe, darunter Blut, Haarwurzeln oder Haut, lassen sich im Labor so umprogrammieren, dass sie zu den gewünschten Organen, sogenannten Organoiden, heranwachsen. Diese Methode basiert auf den bahnbrechenden Forschungen des Japaners Shin’ya Yamanaka, der erstmals erfolgreich induzierte pluripotente Stammzellen im Labor herstellte und dafür 2012 den Medizinnobelpreis erhielt. Auch Retinagewebe kann über umprogrammierte Stammzellen produziert werden. «Bislang waren retinale Organoide jedoch mit sehr viel Unsicherheiten behaftet», erklärt Cowan. «Wir wussten nicht, ob die Entwicklung jener im Menschen entspricht und in welchen Fällen solche Retina als Modell taugt.»
Um Letzteres zu überprüfen, war die Charakterisierung der menschlichen Retina in bislang unerreichter Tiefe nötig. Dafür ist in erster Linie die Qualität des Gewebes entscheidend. Diese nimmt jedoch bei einer Organspende nach der Operation rapide ab, selbst wenn künstlich Sauerstoff zugeführt wird. «Es gelang uns, die Zeit von der Operation bis zum Test von durchschnittlich acht Stunden auf fünf Minuten zu verkürzen», sagt Cowan. «Die enge Zusammenarbeit mit der Klinik war dafür entscheidend.»
Test mit Miniprojektor
Um den Zustand des einzigartigen Gewebes zu überprüfen, war eine weitere Innovation nötig: Kollegen und Kolleginnen vom ETH-Departement für Biosysteme entwickelten einen wenige Quadratzentimeter grossen Mikrochip mit 26 000 Elektroden. Diese dienen dazu, die Funktion der Zellen zu messen. Unter Sauerstoffzufuhr werden dafür Ganglienzellen in der Retina mit den Elektroden verbunden. Anschliessend werden die Fotorezeptoren mit Licht angeregt, die daraufhin Nervensignale an die retinalen Ganglienzellen weiterleiten. Diese wandeln Lichtimpulse in elektrische Signale um, die gewöhnlich im Hirn zu Bildern weiterverarbeitet werden. «Dafür haben wir im Labor eine Art Mini-Videoprojektor entwickelt, dessen Bildgrösse genau der Retina entspricht», erzählt Cowan. Über den Mikrochip konnten die Forschenden das Funktionieren von Tausenden Retinazellen messen und dies über wiederholte Stimulierung mit Licht verifizieren. «Die Aktivitätsmessung von menschlicher Retina auf einer solchen Testanlage ist eine Weltpremiere», sagt Cowan stolz.
Basierend auf dem geprüften, hochqualitativen Retinagewebe erstellte das Forschungsteam einen «zelltypspezifischen Genatlas der menschlichen Retina ». Dafür sequenzierte es die RNA von rund 100 000 Retinazellen aus unterschiedlichen Regionen und verpasste diese mit genetischen «Barcodes». Zum ersten Mal überhaupt wurde dadurch das «zelltypspezifische Transkriptom» der Retina entschlüsselt, also die Gesamtheit der RNA in den jeweiligen Zellen. Das ist deshalb von Interesse, weil die RNA für die Genexpression verantwortlich ist und damit für die Aktivierung von bestimmten genetischen Programmen. Für viele krankheitsrelevante Gene war bislang weitgehend unbekannt, in welchen Retina-Zelltypen diese exprimiert werden sowie ob und ab wann diese Expression in Organoidzellen reproduziert wird.
Mit dem «Genatlas» der gesunden menschlichen Retina konnten die Wissenschaftler nun das Zellgewebe der im Labor entwickelten Retinaorganoide exakt charakterisieren. Dafür massen die Forschenden die Genexpression von über 50 000 Organoidzellen sechsmal über deren Wachstumszeit von insgesamt 38 Wochen hinweg. «Wir konnten beweisen, dass sich unsere Retinaorganoide im Labor ex vivo vollständig entwickeln – und dies in sehr vergleichbarer Art und mit gleichen Genexpressionsmustern wie beim Menschen.» Diese Übereinstimmung galt auch für die zelltypspezifische Expression von Genen, die für bestimmte Augenkrankheiten verantwortlich gemacht werden.
Grundlage für personalisierte Medizin
Cowan ist überzeugt, dass dieses Modell enormes Potenzial für die Entwicklung von neuen Therapien hat: «Früher trafen wir oft Annahmen, welche Gene für bestimmte Krankheiten verantwortlich sind. Heute können wir dies über die Analyse der Genexpression eindeutig bestimmen.» Bereits habe sich zum Beispiel gezeigt, dass bei der Entwicklung von neuen Gentherapien gegen die Stargardt-Krankheit bislang unvollständige Annahmen bezüglich der Verteilung von mutierten Genen im Gewebe getroffen wurden.
Zudem entsprechen die neu entwickelten Methoden und das Organoidmodell dem allgemeinen Trend in den Biowissenschaften und der Pharmaindustrie zur Personalisierung von Therapien. Zum Beispiel ist laut Cowan durchaus denkbar, dass bei seltenen Augenkrankheiten in Zukunft aus Zellmaterial eines Patienten im Labor ein Organoid gezüchtet wird. An diesem werden verschiedene Therapien getestet, bevor die erfolgversprechendste beim Patienten zum Einsatz kommt. Auch könnten künftig Tausende von Wirkstoffen seriell auf Tausenden von Organoiden getestet werden. Und dies unabhängig von Organspendern und mit viel grösserer Wahrscheinlichkeit auf Übertragbarkeit der Ergebnisse auf den Menschen als im Mausmodell.
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