Retinale Organoide: Gefäßnetzwerke verbessern Überleben und Funktion von Sehnervzellen

Forscher aus Bonn und Basel haben eine neue Methode entwickelt, um menschliche retinale Organoide mit künstlichen Blutgefäßstrukturen auszustatten.

Diese vaskularisierten Netzhautorganoide, sogenannte vROs, zeigen eine bessere Funktion von Sehnervzellen. Zudem bilden die vROs vollständig funktionierende Lichtsignalwege von den Photorezeptoren bis zu den retinalen Ganglienzellen.

Kombination retinaler Organoide mit endothelialen Zellen

Bislang war es in retinalen Organoiden schwierig, die inneren Ganglienzellen langfristig zu erhalten. Die Zellversorgung in den dicht gepackten Organoiden ist begrenzt, wodurch Sauerstoffmangel und Zellsterben auftreten. Das internationale Team um Prof. Volker Busskamp vom Universitätsklinikum Bonn (UKB), von der Universität Bonn und dem Institute of Molecular and Clinical Ophthalmology Basel, Schweiz, hat dieses Problem gelöst.

Die Wissenschaftler kombinierten aus menschlichen pluripotenten Stammzellen hergestellte Netzhautorganoide mit endothelialen Zellen, die Blutgefäßstrukturen nachbilden. Die Gefäßzellen integrieren sich in die Organoide und bilden lumenartige Netzwerke. Diese transportieren die Nährstoffe und Sauerstoff – eine wichtige Voraussetzung für die Erhaltung empfindlicher retinaler Ganglienzellen. Ihre Ergebnisse haben die Forscher im Fachjournal „Cell Stem Cell“ veröffentlicht.

Integration vorgezüchteter Endothelzellen am besten

Die Wissenschaftler testeten mehrere Methoden zur Integration der Gefäßzellen. Dabei fanden sie heraus, dass sich vorgezüchtete Endothelzellen am besten in bereits geformten Organoid-Strukturen integrieren. Dadurch bleiben die Entwicklungsprozesse unverändert, gleichzeitig steigt die Zahl überlebender Ganglienzellen deutlich. Analysen zeigen, dass die Zelltypen in den vaskularisierten Netzhautorganoiden normal ausdifferenziert werden. Ganglionzellen hingegen überleben länger und erreichen eine höhere funktionelle Reife.

Organoide zeigen funktionierende Lichtsignalwege

Um die Aktivität der Ganglienzellen zu überprüfen, setzten die Forscher Mikroelektroden und Mikrofluidikgeräte ein, in denen die Axone der Ganglienzellen stabil wachsen können. In diesen vaskularisierten Organoiden sind die Nervenzellen aktiver: Sie senden elektrische Signale häufiger, gleichzeitig und in stärkerer Intensität als die Zellen in nicht vaskularisierten Organoiden.

Mittels optogenetischer Methoden konnten die Zellen gezielt per Licht stimuliert werden, was deutlich höhere und zuverlässigere Reaktionen in den vaskularisierten Netzhautorganoiden zeigte. Nach mehrwöchiger Reifung bildeten die Organoide funktionierende Lichtsignalwege: Photorezeptoren reagierten auf Lichtreize, und die Signale wurden korrekt an die Ganglienzellen weitergeleitet, inklusive der typischen ON-, OFF- und ON-OFF-Reaktionsmuster.

„Die Integration von Gefäßzellen hat einen großen Einfluss auf das Überleben und die Funktionsfähigkeit der Ganglienzellen. Dadurch können wir erstmals die vertikale Signalweiterleitung von den Photorezeptoren bis zu den Ganglionzellen in vitro beobachten – ein wichtiger Schritt für die Erforschung menschlicher Netzhautentwicklung und Erkrankungen“, erklärt Busskamp, Erstautor der Studie und Leiter der Arbeitsgruppe für Degenerative Netzhauterkrankungen am UKB. Er ist zudem Mitglied im Transdisziplinären Forschungsbereich (TRA) „Life and Health“ der Universität Bonn.

Vaskularisierte Organoide reagieren auf Hypoxie

Darüber hinaus zeigten die vaskularisierten Organoide, dass sie auf Hypoxie reagieren können. Unter Sauerstoffmangel bildeten die künstlichen Gefäße neue Netzwerke aus, ähnlich wie bei bestimmten Netzhauterkrankungen. Dies eröffnet den Wissenschaftlern zufolge Möglichkeiten für die Modellierung von Krankheiten wie der Frühgeborenen-Retinopathie und für das Testen neuer Therapien.

Nach Meinung der Forscher ist die Methode einfach anzuwenden und kann auf andere Organoidmodelle übertragen werden. Somit würden mit den vaskularisierten Netzhautorganoiden funktionale menschliche Netzhautmodelle im Labor zur Verfügung stehen, welche neue Perspektiven für die Erforschung retinaler Erkrankungen, die Testung von Medikamenten und zukünftige Therapieansätze bieten könnten.

Förderung: Volkswagen Stiftung, Deutsche Forschungsgemeinschaft, Pro Retina Stiftung, TRA „Life and Health“ der Universität Bonn, Exzellenzcluster ImmunoSensation3, Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz.