Lab-Grown Human Retinas onthullen sleutels tot kleurvisie

In een laboratorium aan de Johns Hopkins University groeien kleine stukjes menselijke ogen in een gerecht. Hoewel het groeien van oogklieren een technisch wonder op zich is, heeft deze creatie een samengesteld doel. In een nieuwe studie gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschap, wetenschappers hebben deze organoïden gegenereerd om te begrijpen waarom we kleur kunnen zien en om te leren hoe we mensen kunnen helpen die dat niet kunnen.

Wanneer je aan een oog denkt, denken ze waarschijnlijk aan de volledige, bolvormige vorm - de lens, een iris; het glaslichaam. Deze retinale organoïden zijn dat niet. Technisch gezien zijn het netvliezen gegroeid uit menselijke stamcellen - witte klodders die de achterkant van het oog omlijnen.

In de studie, die donderdag is gepubliceerd, onthullen John's Hopkins University afgestudeerde student Kiara Eldred en haar team waarom deze netvliezen zo belangrijk zijn. Mensen hebben drie soorten kleurdetecterende cellen, kegelvormige fotoreceptoren die rood, groen of blauw licht waarnemen. Maar de mechanismen achter waarom dit is, zijn niet volledig begrepen. Hier ontdekte het team dat blauwe cellen zich eerst ontwikkelen, later rode en groene cellen. Het leren van de timing van deze celformaties was een nieuwe bevinding - en logisch, gezien het feit dat wij en andere primaten iets hebben dat trichromatische kleurenvisie wordt genoemd.

"Als wetenschapper denk ik dat je een passie moet hebben voor wat je doet en een connectie hebt met je organisme," vertelt organoid-maker Eldred omgekeerde. "Ik verzorgde de organoïden elke dag in het begin en vervolgens elke andere dag naarmate ze ouder werden. In het laboratorium verwijzen mijn co-auteurs en ik allemaal naar hen als onze baby's omdat we altijd voor hen moeten zorgen."

"De meeste zoogdieren kunnen alleen in twee kleurspecturen zien - ze zien alleen blauw en groen", legt Eldred uit. "We kunnen blauw, groen en rood zien. Vanwege kleurenvisie kunnen we veel rijke informatie over de wereld om ons heen ontvangen."

Het is gespeculeerd dat primaten zoals chimpansees en mensen rood kunnen zien omdat het vermogen vroege hominines in staat stelde rijpingsfruit tussen groene bladachtergronden te vinden. Ondertussen zien andere zoogdieren zoals honden en katten minder en zwakkere kleuren.

Het besef dat iets de timing van de blauwe, rode en groene celgroei veroorzaakte, stelde ook een mysterie: Welk mechanisme veroorzaakte de creatie van deze drie soorten kegelcellen? Om het uit te zoeken, na stamcellen te hebben geleid tot retinaal weefsel - een proces waarbij soms de wetenschappers uiteindelijk hersenweefsel en het retinale weefsel creëren omdat fotoreceptoren technisch gezien neuronen zijn - begonnen de onderzoekers een set genen die betrokken zijn bij de functie van het schildklierhormoon, dat betrokken is bij celgroei en differentiatie.

Eerder werk met betrekking tot muizen-, vis- en kippenvisie suggereerde dat wanneer de schildklierhormoonfunctie laag is, er blauwe cellen verschijnen en wanneer deze hoog zijn, volgen rode en groene cellen. Dat bleek waar te zijn: met behulp van CRISPR sloegen onderzoekers de receptor voor het schildklierhormoon knock-out en creëerden ze retina-organoïden met alleen blauwe cellen. Toen ze het hormoon weer toevoegden, genereerden ze organoïden met alleen rode en groene cellen.

Dit gebeurde ook al was de schildklier helemaal niet betrokken - de enige items in het gerecht waren de retina-organoïden. Na te hebben onderzocht welke genen tijdens een jaar van organoïde ontwikkeling werden aan- of uitgezet, ontdekten ze dat hun hypothese correct was: genen die het schildklierhormoon degradeerden waren vroeg op om de blauwe cellen aan te maken en genen die het schildklierhormoon activeren, werden later rood gemaakt en groene cellen.

In wezen zorgden de wetenschappers ervoor dat de organoïden op verschillende manieren kleurenblind werden. Dit suggereert dat dit onderzoek nuttig zou kunnen zijn bij het ontwikkelen van therapeutische behandelingen om mensen te helpen die kleurenblind zijn of lijden aan maculaire degeneratie, een oogziekte die verlies van gezichtsvermogen veroorzaakt. Wat wetenschappers doen om te helpen met maculaire degeneratie, is momenteel stamcellen te injecteren in netvliezen die een soort degeneratie hebben. De effectiviteit van dit proces was echter onvoorspelbaar. Het doel is nu dat wetenschappers, door het pad van differentiatie van de kegelcellen te kunnen richten, kunnen leren hoe ze de cellen therapeutisch kunnen gebruiken.

"We hopen dat we met ons onderzoek informatie kunnen verschaffen aan andere onderzoekers over het specifiek creëren van kegelcellen", zegt Eldred. "In toekomstige experimenten kunnen we misschien deze cellen nemen, injecteren en meer van hen zullen fotoreceptoren worden die een regeneratieve behandeling kunnen bieden. Elke keer als ik zie dat de organoïden het juiste pad aflopen, is het spannend en fascinerend."