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10.01.2017

Retina-Transplantat aus iPS-Zellen lässt blinde Mäuse wieder auf Licht reagieren

Anlass

Blinde Mäuse sollen wieder Licht erkennen – dank eines Retina-Transplantats, das aus induziert pluripotenten Stammzellen hergestellt wurde. In einer aktuellen Studie des japanischen RIKEN Center for Developmental Biology hatten Mäuse mit einer Retina-Degeneration im Endstadium solch ein Transplantat und anschließend ein spezielles Sehtraining erhalten. Daraufhin konnte zumindest fast jede zweite Maus wieder auf Licht reagieren. Die Forschungsergebnisse wurden im Fachjournal „Stem Cell Reports“ publiziert (siehe *Primärquelle).

 

Übersicht

  • Prof. Dr. Gerd Kempermann, Sprecher des Deutschen Zentrums für Neurodegenerative Erkrankungen, Standort Dresden, und Leiter der Arbeitsgruppe Genomische Grundlagen der Regeneration, DFG-Forschungszentrum für Regenerative Therapien (CRTD), Dresden
  • Dr. Günther Zeck, Leiter der Gruppe Neurophysik, Naturwissenschaftliches und Medizinisches Institut (NMI), Universität Tübingen, Tübingen
  • Prof. Dr. Volker Enzmann, Leiter der Forschungsgruppe Experimentelle Ophthalmologie, Universitätsklinik für Augenheilkunde, Universitätsspital Bern, Bern, Schweiz
  • Prof. Dr. Marius Ader, Leiter der Arbeitsgruppe für Zellersatz in der Retina von Säugetieren, DFG-Forschungszentrum für Regenerative Therapien (CRTD), Dresden

Statements

Prof. Dr. Gerd Kempermann

Sprecher des Deutschen Zentrums für Neurodegenerative Erkrankungen, Standort Dresden, und Leiter der Arbeitsgruppe Genomische Grundlagen der Regeneration, DFG-Forschungszentrum für Regenerative Therapien (CRTD), Dresden

„Das Paper zeigt, dass man mit Zellen, die man aus ganz gewöhnlichen Hautzellen umprogrammiert hat, eine erfolgreiche Zelltherapie am Auge durchführen kann – so rudimentär und unvollkommen sie auch noch sein mag.“

„Die Netzhaut ist eine immens komplexe, aber auch sehr regelmäßige Struktur. Die Zellen müssen sich, um wirklich funktionieren zu können, wie ihre originalen Schwestern in ein kompliziertes Gefüge von anderen Zellen einbauen. Das ist von einer neuen Zelle sehr viel verlangt. All die Reize, die das während der Entwicklung möglich machen, fehlen ja im Erwachsenen. Offensichtlich haben aber die hier verwendeten Zellen das Potenzial, immerhin die grundlegenden Kontakte herzustellen: Mindai und Kollegen zeigen, dass die implantierten Zellen sich verschaltet haben. Das ist ein großer Schritt. Wie weitgehend eine wirkliche Integration hier stattgefunden hat und in welchem Maße und wie sie überhaupt möglich ist, bleibt unklar. Vielleicht sind die funktionellen Effekte, die in dieser Arbeit beschrieben werden, am Ende dennoch unspezifischer und gar nicht auf eine vollständige Integration angewiesen.“

„Es gibt ein anderes Beispiel erfolgreicher Zelltherapie im Nervensystem: Man hat unreife Nervenzellen in das Gehirn von Parkinsonpatienten implantiert. Daraufhin gab es eine positive Auswirkung auf die Funktion, obwohl sich die Zellen nicht so integriert hatten, wie sie theoretisch sollten. Bezogen auf den aktuellen Fall bedeutet das: Eine Reaktion auf Licht ist noch nicht das Gleiche wie ‚Sehen’. Für Patienten wäre aber auch das schon mitunter ein Gewinn.“

„In vielfacher Hinsicht sind sich die Netzhaut von Maus und Mensch sehr ähnlich, gerade was den Aufbau des Netzwerks angeht und das Aussehen und die Funktion der Zellen. Insofern kann man von der Maus sehr viel lernen. Es ist nur nicht so, dass ein konkretes Verfahren auch gleich beim Menschen in gleicher Weise erfolgversprechend ist, nur weil es in Mäusen funktioniert. Es gibt nämlich auch sehr wichtige Unterschiede. Die Netzhaut der Maus ist auf Dämmerungssehen spezialisiert; bei uns Menschen dagegen steht Sehen in großer Schärfe und in Farbe im Vordergrund. Und natürlich gibt es viele subtile Unterschiede, zum Beispiel auf genetischer Ebene, die das Ergebnis beeinflussen können. Im konkreten Fall ist nun sicherlich noch viel Forschung notwendig, um zu verstehen, was hier genau passiert und wie übertragbar die einzelnen Ergebnisse sind. Mit guten Vordaten, zum Beispiel auch an Tieren, die ähnliche Augen wie wir haben, beispielsweise Schweinen, wird man dann irgendwann einen Versuch beim Menschen wagen müssen.“

Dr. Günther Zeck

Leiter der Gruppe Neurophysik, Naturwissenschaftliches und Medizinisches Institut (NMI), Universität Tübingen, Tübingen

„In der vorliegenden Arbeit zeigen die Autoren auf funktioneller Ebene eine Integration von dreidimensionalen retinalen Gewebe in ein Mausmodell der humanen Fotorezeptor-Degeneration Retinitis pigmentosa. Der funktionelle Nachweis wird in zwei Experimenten erbracht: zum einen in einem Verhaltensexperiment und zum anderen über elektrophysiologische Messungen.“

„Es wurde ein relativ einfacher Verhaltenstest durchgeführt, bei welchem transplantierte Mäuse eine plötzlich beleuchtete Raumhälfte verlassen müssen, da sie sonst über einen elektrischen Strompuls bestraft werden. Die Autoren berichten, dass knapp die Hälfte der transplantierten Mäuse diesen Test gelernt haben – ein sehr bemerkenswertes Ergebnis! Das Resultat könnte meines Erachtens aber auch durch die intrinsisch lichtsensitiven Ganglienzellen begründet werden, welche bei Maus und Mensch für eine stabile Wahrnehmung der Umgebungshelligkeit sorgen.“

„Zudem erwähnen die Autoren, dass ein zweiter Verhaltenstest (optokinetische Stimulation), welcher von anderen Gruppe schon angewendet wurde [1, 2], kein Ergebnis lieferte.“

„In einem zweiten experimentellen Ansatz zum Nachweis funktioneller Integration auf der Ebene einzelner retinaler Schaltkreise (d. h. synaptischer Verbindungen) analysieren die Autoren die licht-induzierte Ganglienzellaktivität. In der gesunden Retina antworten die Ganglienzellen (d. h. Projektionsneurone der Retina zu höheren Hirnregionen) mit einer Änderung der elektrischen Aktivität auf äußere Lichtreize. Etwa die Hälfte aller Ganglienzellen reagiert auf heller werdendes Licht, das heißt ändert die Frequenz der Aktionspotenziale, während die andere Hälfte auf dunkel werdendes Licht reagiert. In fotorezeptordegenerierten Retinas sind die Ganglienzellen zwar aktiv (spontane Aktionspotenziale), jedoch modulieren sie ihre Aktivität auf Lichtreize nicht mehr. Nach einer Transplantation kann in einigen Ganglienzellen blinder Retinas wieder lichtmodulierte Aktivität gemessen werden. Erstaunlich ist jedoch, dass (bis auf ein Beispiel) in transplantierten Retinas Ganglienzellen nur auf heller werdendes Licht reagieren und nicht auf dunkel werdendes Licht. Es gibt keinen Grund, warum nur eine Hälfte der Ganglienzellen aktiviert werden sollte. Darauf wird in dieser Studie nicht näher eingegangen.“

„Etwas bedauerlich ist weiterhin, dass die Autoren nicht auf neuere Arbeiten [3] zur Charakterisierung von lichtinduzierter Ganglienzellaktivität in der Mausretina eingehen.“

„Zusammenfassend haben die Autoren nach einer Transplantation von induziert pluripotenten Stammzellen in der Maus einen ersten funktionellen Nachweis erbracht. Dies geschah in einem Verhaltensexperiment sowie in ersten elektrophysiologischen Experimenten über lichtinduzierte Modulation der Ganglienzellaktivität. Es bleiben jedoch einige Fragen offen, welche zumindest auf funktioneller Ebene in zukünftigen Arbeiten beantwortet und präzisiert werden müssen.“

„Ohne das Ergebnis der vorliegenden Arbeit zu schmälern, ist es meines Erachtens vollkommen offen, inwieweit die angewandte Technik auf eine Primatenretina übertragbar ist. Zum einen verwenden die Autoren induziert pluripotente Stammzellen der Maus – beim Menschen würde man auf human induzierte Stammzellen zurückgreifen. Die Augengröße und damit retinale Fläche sind bei den beiden Spezies sehr unterschiedlich. Als nächsten Schritt könnte ich mir Studien an Tieren vorstellen, bei welchen die Augengröße der des Menschen näherkommt.“

Prof. Dr. Volker Enzmann

Leiter der Forschungsgruppe Experimentelle Ophthalmologie, Universitätsklinik für Augenheilkunde, Universitätsspital Bern, Bern, Schweiz

„Bis heute gibt es keine belastbaren Ergebnisse, die beweisen, dass es zu einer Integration von transplantierten differenzierten Stammzellen in der degenerierten Netzhaut kommt. Deshalb sind Studien wie die jetzt vorliegende, welche den direkten Kontakt zwischen Transplantat und Empfängerstruktur zeigt, wichtig für die weitere Entwicklung von Zell-basierenden Therapieansätzen.“

„Nach der Transplantation von retinalem Gewebe, welches aus induzierten pluripotenten Stammzellen gewonnen wurde, konnten die Autoren synaptische Verbindungen zu Zellen der inneren Empfängernetzhaut nachweisen. Daraus resultierende elektrische Antworten auf Lichtreize zeigen eine funktionelle Integration des Transplantats, welche auf Grund der Komplexität der Netzhaut sehr schwierig zu erreichen ist. Die Herausforderung besteht dabei neben der Selektion des optimalen Ausgangsmaterials darin, den optimalen Transplantationszeitpunktes zu finden.“

„Das in der aktuellen Studie verwendete Tiermodell entspricht einer Retinitis pigmentosa-Erkrankung im Patienten recht gut. Besonders bemerkenswert ist, dass die Autoren die Transplantation im Endstadium der Netzhaut-Degeneration vorgenommen haben. Dass dabei trotzdem positive Ergebnisse zu beobachten waren, gibt Hoffnung für die Entwicklung einer neuartigen Therapieform für Patienten im fortgeschrittenen Stadium der Krankheit.“

Prof. Dr. Marius Ader

Leiter der Arbeitsgruppe für Zellersatz in der Retina von Säugetieren, DFG-Forschungszentrum für Regenerative Therapien (CRTD), Dresden

„Die Studie der Arbeitsgruppe Takahashi stellt einen wichtigen Beitrag zur Entwicklung einer Netzhaut-Ersatztherapie dar. Sie gibt Hinweise auf (synaptische) Verbindungen zwischen Spenderzellen, die aus pluripotenten Stammzellen gewonnen wurden, und Empfängerzellen in einem stark degenerierten Mausmodel. Dabei wird eine funktionale Verbesserung der Sehfähigkeit gezeigt. Es sind aber noch weitere, detailliertere Untersuchungen nötig, um die (synaptischen) Verbindungen und den Zusammenhang mit den Sehverbesserungen zu bestätigen. Ein weiteres Problem stellt die veränderte Histologie des transplantierten Retina-Gewebes dar, bei dem es zur Bildung sogenannter ‚Rosetten’ kommt. Mit diesen ist eine ‚normale’ Funktion der Retina nicht möglich.“

„Bislang gibt es nur wenige Studien, in denen die Funktionalität von aus pluripotenten Stammzellen abgeleiteten Fotorezeptoren untersucht wurde.“

„Die (synaptischen) Verbindungen zwischen Spender- und Empfängerzellen sind bislang nicht in ausreichendem Maße charakterisiert worden. Das liegt zum einen daran, dass man bis vor kurzem von einer guten Verbindung ausging, wenn Spenderzellen in Mausmodelle mit noch vorhandenen, eigenen Fotorezeptoren eingebracht wurden. Kürzlich wurde dann aber gezeigt, dass dies nicht der Fall ist und dieser wichtige Aspekt in der Forschung nun neu beleuchtet werden muss. Zum anderen stellen Transplantationen in Mausmodellen mit vollständigem Verlust der Fotorezeptoren wie in der vorliegenden Arbeit eine besondere Herausforderung dar: Zwar sind dabei noch Empfängerzellen vorhanden, diese aber verändern sich durch eine Degeneration der Fotorezeptoren. Es findet eine sogenannte Remodulierung des Gewebes statt, was die Bildung neuer (synaptischer) Verbindungen erschweren könnte. Die in der Arbeit erhobenen Daten deuten auf (synaptische) Verbindungen hin. Für den nächsten Schritt fehlen aber nun weitergehende, detailliertere Untersuchungen. Erste Hinweise auf (synaptische) Verbindungen nach Fotorezeptor-Transplantation im gleichen Mausmodell wurden übrigens bereits 2013 von Singh et al. in PNAS gezeigt [4].“

„Der nächste Schritt, der auch von den Autoren bereits erwähnt wird, wäre die Transplantation von Retinagewebe, das aus humanen pluripotenten Stammzellen erzeugt wird, in das gleiche Mausmodel. Ein weiterer Schritt wäre dann die Transplantation in Modelle wie Affen oder Schweine, deren Augen denen des Menschen noch ähnlicher sind.“

Mögliche Interessenkonflikte

Prof. Dr. Marius Ader: „Meine Arbeitsgruppe arbeitet an ähnlichen Ansätzen zur Transplantation von pluripotenten aus Stammzellen abgeleiteten Fotorezeptoren.“

Alle anderen: Keine angegeben.

Hinweis der Redaktion:

Prof. Dr. Ader und Dr. Zeck publizieren zusammen zum Thema Retinale Transplantation.

Primärquelle

Mandai et al. (2017): iPSC-Derived Retina Transplants Improve Vision in rd1 End-Stage Retinal-Degeneration Mice. Stem Cell Reports (2016). DOI: 10.1016/j.stemcr.2016.12.008.

Literaturstellen, die von den Experten zitiert wurden

[1] Pearson RA et al. (2012): Restoration of vision after transplantation of photoreceptors. Nature; 485(7396): 99–103. DOI: 10.1038/nature10997.

[2] Seiler MJ (2008): BDNF-Treated Retinal Progenitor Sheets Transplanted to Degenerate Rats. Improved Restoration of Visual Function. Exp Eye Res; 86(1): 92–104. DOI: 10.1016/j.exer.2007.09.012.

[3] Sonoda T et al. (2016): Re-evaluating the Role of Intrinsically Photosensitive Retinal Ganglion Cells: New Roles in Image-Forming Functions. Integr Comp Biol; 56(5): 834-841. DOI: 10.1093/icb/icw066.

[4] Singh MS (2013): Reversal of end-stage retinal degeneration and restoration of virual function by photoreceptor transplantation. PNAS;110(3):1101-6. DOI: 10.1073/pnas.1119416110.

Weitere Recherchequellen

Researchers plan trial transplants of retinas grown from 3rd parties. Medienbericht vom 07.06.2016.

Nicoară SD et al. (2016): Novel Strategies for the Improvement of Stem Cells' Transplantation in Degenerative Retinal Diseases. Stem Cells Int. 2016; 1236721. DOI: 10.1155/2016/1236721.