AMD-Forschung: Digitaler Zwilling von Augenzellen entwickelt

Forschende des National Eye Institute (NEI) in Bethesda, USA, haben eine digitale Nachbildung zentraler Augenzellen entwickelt. Dies ermöglicht neue Einblicke in deren Selbstorganisation sowohl im gesunden als auch im erkrankten Zustand.

Diese Plattform könnte neue Möglichkeiten für die Erforschung von Therapien für Erblindungskrankheiten wie die altersbedingte Makuladegeneration (AMD) eröffnen. „Diese Arbeit stellt den ersten digitalen Zwilling einer differenzierten menschlichen Primärzelle mit subzellulärer Auflösung dar und zeigt, dass das Auge ein idealer Testbereich für die Entwicklung von Methoden ist, die allgemeiner in der biomedizinischen Forschung eingesetzt werden könnten“, so Dr. Kapil Bharti, wissenschaftlicher Direktor am NEI, das Teil der National Institutes of Health ist.

Von induzierten pluripotenten Stammzellen zum RPE-3D- Digitalzwilling

Die Forscher entwickelten einen hochdetaillierten, datengestützten 3D-Digitalzwilling einer retinalen Pigmentepithelzelle (RPE). Grundlage waren am NEI aus induzierten pluripotenten Stammzellen gewonnene RPE-Zellen. Diese wurden vom Allen Institute for Cell Science in Seattle, USA, bereitgestellt. Die Wissenschaftler erfassten die 3D-Bilddaten von 1,3 Millionen RPE-Zellen aus nahezu 4000 Teilbereichen der Retina mithilfe eines automatisierten Konfokalmikroskops.

Auf Basis der Bilddaten trainierte das Team einen KI-Algorithmus, der Zellkern, weitere Zellstrukturen sowie Form und Volumen der Zellen zuverlässig identifiziert. Das System mit dem Namen „Polarity Organization with Learning-Based Analysis for RPE Image Segmentation“ (POLARIS) erzeugte dabei 3D-Segmentierungsdaten – also Bildvoxeln zugewiesene Strukturen – über verschiedene Entwicklungsstadien der Zellen hinweg.

Ein besonderes Augenmerk legten die Wissenschaftler auf die Polarität des digitalen Zwillings. Sie quantifizierten zudem die Größe und Form der Zelle, ihrer Organellen und Zytoskelettstrukturen, einschließlich der 3D-Raumlokalisierung in verschiedenen Entwicklungsstadien. Dabei fanden die Forscher heraus, dass gesunde, sich entwickelnde RPE-Zellen einem vorhersehbaren Weg zu einem polarisierten Zustand folgen. Die Forschenden haben ihre Ergebnisse im Fachjournal „Nature Portfolio Journal of Artificial Intelligence“ veröffentlicht.

Verstehen, wie Krankheiten RPE-Zellen verändern

Der daraus resultierende KI-basierte Atlas zeigt polarisierte und nicht polarisierte RPE-Zellen. Er dient Forschenden als Referenz, um zu verstehen, wie Krankheiten das RPE auf zellulärer und subzellulärer Ebene verändern. So könnte er die Entwicklung neuer Therapien entscheidend voranbringen.

„Der digitale Zwilling-Ansatz stellt ein leistungsstarkes neues Werkzeug für die Entwicklung von AMD-Therapien dar und könnte für die Untersuchung weiterer Augen- und anderer Erkrankungen beziehungsweise Zustände, die die Zellpolarität beeinflussen, angepasst werden“, betonte Bharti.

„Durch die Kombination von KI mit mathematischer Modellierung haben wir einen Einblick in zelluläre Prozesse geschaffen, die zuvor verborgen waren“, erklärte der Erstautor und leitende Autor der Studie, Davide Ortolan, Ph.D., NEI-Forschungsstipendiat. „Diese Technologie hilft uns nicht nur zu verstehen, was bei AMD geschieht, sondern bietet uns auch eine Plattform, um herauszufinden, wie man es beheben kann.“

Diese Forschung wurde vom NIH/NEI Intramural Research Program finanziert.

(sas/BIERMANN)