Door NIH gefinancierd onderzoek biedt een nieuw pad voor het modelleren van oogziekte en het bevorderen van therapieën
Drie maanden na transplantatie bevestigden immunofluorescentiestudies de overleving van de chemisch geïnduceerde fotoreceptorachtige cellen (groen).
Ze tonen ook integratie van de cellen in de lagen van het netvlies van de muis. Sai Chavala, M.D., CIRC Therapeutics
Onderzoekers hebben een techniek ontdekt voor het direct herprogrammeren van huidcellen in lichtgevoelige staaffotoreceptoren die worden gebruikt voor het gezichtsvermogen.
Met de in het laboratorium gemaakte staven konden blinde muizen licht detecteren nadat de cellen in de ogen van de dieren waren getransplanteerd. Het werk, gefinancierd door het National Eye Institute (NEI), is op 15 april gepubliceerd in Nature. De NEI maakt deel uit van de National Institutes of Health.
Tot nu toe hebben onderzoekers stervende fotoreceptoren in diermodellen vervangen door stamcellen te maken van huid of bloedcellen, en die stamcellen te programmeren om fotoreceptoren te worden, die vervolgens in de achterkant van het oog worden getransplanteerd. In de nieuwe studie laten wetenschappers zien dat het mogelijk is om de tussenstap van de stamcel over te slaan en huidcellen direct opnieuw te programmeren in fotoreceptoren voor transplantatie in het netvlies.
“Dit is de eerste studie die aantoont dat directe, chemische herprogrammering retinale cellen kan produceren, wat ons een nieuwe en snellere strategie geeft voor het ontwikkelen van therapieën voor leeftijdsgebonden maculaire degeneratie en andere retinale aandoeningen veroorzaakt door het verlies van fotoreceptoren,” zei Anand Swaroop, Ph.D., senior onderzoeker in het NEI Neurobiology, Neurodegeneration and Repair Laboratory, dat de geherprogrammeerde staaffotoreceptorcellen kenmerkte door middel van genexpressieanalyse.
“Van direct voordeel is het vermogen om snel ziektemodellen te ontwikkelen, zodat we ziektemechanismen kunnen bestuderen. De nieuwe strategie zal ons ook helpen bij het ontwerpen van betere benaderingen voor celvervanging, ”zei hij.
Wetenschappers hebben het afgelopen decennium geïnduceerde pluripotente stamcellen (iPS) met intense belangstelling bestudeerd. IPSC’s worden in een laboratorium ontwikkeld op basis van volwassen cellen – in plaats van foetaal weefsel – en kunnen worden gebruikt om bijna elk type vervangende cel of weefsel te maken. Maar protocollen voor iPS-celherprogrammering kunnen zes maanden duren voordat cellen of weefsels klaar zijn voor transplantatie.
De directe herprogrammering die in de huidige studie is beschreven, heeft de huidcellen daarentegen in slechts 10 dagen klaargemaakt voor transplantatie in functionele fotoreceptoren. De onderzoekers demonstreerden hun techniek in muisogen, waarbij ze gebruik maakten van zowel muis als van mensen afkomstige huidcellen.
“Onze techniek gaat rechtstreeks van huidcel naar fotoreceptor zonder dat er tussendoor stamcellen nodig zijn”, zegt de hoofdonderzoeker van de studie, Sai Chavala, M.D., CEO en president van CIRC Therapeutics en het Center for Retina Innovation. Chavala is ook directeur van retina-diensten bij KE Eye Centers of Texas en professor chirurgie aan de Texas Christian University en de University of North Texas Health Science Center (UNTHSC) School of Medicine, Fort Worth.
Directe herprogrammering omvat het baden van de huidcellen in een cocktail van vijf kleine molecuulverbindingen die samen de moleculaire routes die relevant zijn voor het lot van de fotoreceptorcel chemisch mediëren. Het resultaat zijn staaffotoreceptoren die inheemse staafjes qua uiterlijk en functie nabootsen.
De onderzoekers voerden genexpressieprofilering uit, waaruit bleek dat de genen die door de nieuwe cellen tot expressie werden gebracht, vergelijkbaar waren met die van echte staaffotoreceptoren. Tegelijkertijd waren genen die relevant zijn voor de functie van de huidcel verlaagd.
De onderzoekers transplanteerden de cellen in muizen met retinale degeneratie en testten vervolgens hun pupilreflexen, wat een maat is voor de fotoreceptorfunctie na transplantatie. Onder omstandigheden met weinig licht is vernauwing van de pupil afhankelijk van de fotoreceptorfunctie van de staaf. Binnen een maand na transplantatie vertoonden zes van de 14 (43%) dieren robuuste pupilvernauwing bij weinig licht vergeleken met geen van de onbehandelde controles.
Bovendien hadden behandelde muizen met pupilvernauwing significant meer kans om tijd in donkere ruimtes op te zoeken en door te brengen in vergelijking met behandelde muizen zonder pupilrespons en onbehandelde controles. Voorkeur voor donkere ruimtes is een gedrag dat zicht vereist en weerspiegelt de natuurlijke neiging van de muis om veilige, donkere locaties te zoeken in plaats van lichte.
“Zelfs muizen met een ernstig gevorderde retinale degeneratie, met weinig kans dat er nog levende fotoreceptoren over waren, reageerden op transplantatie. Dergelijke bevindingen suggereren dat de waargenomen verbeteringen eerder te danken waren aan door het laboratorium gemaakte fotoreceptoren dan aan een bijkomend effect dat de gezondheid van de bestaande fotoreceptoren van de gastheer ondersteunde, ” zei de eerste auteur van het onderzoek, Biraj Mahato, Ph.D., onderzoekswetenschapper, UNTHSC.
Drie maanden na transplantatie bevestigden immunofluorescentiestudies de overleving van de in het laboratorium gemaakte fotoreceptoren, evenals hun synaptische verbindingen met neuronen in het binnenste netvlies.