Der Verlust der lichtsensitiven Zellen des Auges, der Photorezeptoren, und die damit verbundene Verringerung der Sehkraft bis hin zur Blindheit, stellt einen der Hauptgründe für Behinderungen in industrialisierten Ländern dar. Derzeit stehen keine etablierten Therapien für den Ersatz von Photorezeptoren zur Verfügung. Zell-Transplantationen in die Netzhaut stellen einen vielversprechenden Ansatz zum Photorezeptorersatz dar. In diesem Vorhaben wird das Potential von Photorezeptoren, die aus humanen induziert-pluripotenten Stammzellen (hiPS) in der Zellkulturschale von den Kollaborationspartnern hergestellt werden, untersucht. Dazu werden Mausmodelle, die einen vollständigen Verlust von Photorezeptoren aufweisen und somit blind sind, genutzt, um die strukturelle und funktionale Integration der transplantierten Photorezeptoren zu untersuchen. Dabei wird das Überleben, die Ausreifung sowie die therapeutische Wirkung der Spender-Photorezeptoren im Krankheitsmodell analysiert. Bei einigen Erblindungskrankheiten sind neben den Photorezeptoren auch die sogenannten retinalen Pigmentepithelzellen (RPE) betroffen, ohne die Photorezeptoren nicht funktionieren bzw. überleben können. Es werden daher Ko-Transplantationen von hiPS-abgeleiteten Photorezeptoren und RPE Zellen in Mausmodellen durchgegführt, die sowohl einen Photorezeptor als auch einen RPE Verlust aufweisen.

Ein Sehverlust aufgrund angeborener oder altersbedingter Erkrankungen entsteht durch den Verlust von Zellen in der Netzhaut des Auges. Insbesondere Fotorezeptorzellen sowie Retinale Pigmentepithelzellen (RPE) sind essentiell für das Sehvermögen. Das Ziel dieses Forschungsprojektes ist die Herstellung humaner Zellen der Netzhaut in der Zellkultur für die Entwicklung zukünftiger Zellersatztherapien bei Netzhauterkrankungen. Dafür werden sogenannte humane induziert-pluripotente Stammzellen (hiPS) verwendet, welche im Labor durch genetische Reprogrammierung aus gespendeten Gewebeproben von menschlichen Haut- oder Blutzellen hergestellt werden können. Mit im Labor etablierten Methoden werden gezielt menschliche retinale Zellen aus hiPS, wie das Retinale Pigmentepithel, sowie ganze dreidimensionale Netzhautgewebe, sogenannte Retina Organoide, die großen Mengen Fotorezeptoren enthalten, in Zellkultur generiert. Für das Konsortium werden Fotorezeptorzellen und RPE hergestellt, die dann in Zusammenarbeit mit den Partnern für die Entwicklung einer Zellersatztherapie analysiert, optimiert sowie in präklinischen Studien in Tiermodellen zur Wiederherstellung der Sehfunktion transplantiert werden.

Für eine Behandlung von derzeit unheilbaren Netzhaut-Erkrankungen ist die Entwicklung einer Zellersatz-Therapie im Menschen von großer Bedeutung, um den Verlust an Netzhautzellen zu kompensieren. Als Ausgangszellen bieten sich induziert-pluripotente Stammzellen (iPS) an, aus denen die entsprechenden Zelltypen der Netzhaut in der Zellkulturschale hergestellt werden können. Zellprodukte für die Zellersatz-Therapie müssen hohen Anforderungen genügen, um in der Klinik eingesetzt werden zu können. Dies umfasst eine genaue Charakterisierung des Zellprodukts. Da aus Stammzellen abgeleitete Zellprodukte neben den Zielzellen oftmals auch Nicht-Zielzellen enthalten, ist die Aufreinigung der Zielzellen oftmals erforderlich, um die Sicherheit der Therapie zu erhöhen. In Zusammenarbeit mit den Projektpartnern wird die Herstellung sogenannter retinaler Pigmentepithelzellen (RPE) und Zapfen-Photorezeptoren optimiert. Erreicht werden kann dies durch Zellsortierungstechniken die es erlauben, Zielzellen von Nicht-Zielzellen aufgrund ihrer Oberflächenbeschaffenheit zu unterscheiden. Im Rahmen des Projektes ist geplant, die Stammzell-abgeleiteten Zellen hinsichtlich ihrer Oberflächensignatur zu untersuchen, um charakteristische Marker zu identifizieren, mit deren Hilfe eine Isolierung verschiedener Entwicklungsstadien von RPE und Zapfen-Photorezeptoren ermöglicht wird. Dabei werden unterschiedliche Zellisolierungstechniken erprobt (magnetische und durchflusszytometrische Zellsortierung). Zudem wird die Entwicklung von Methoden zur Qualitätskontrolle der Stammzellprodukte angestrebt.

Retina-Pigment-Epithelzellen (RPE) sind die äußerste Schicht der Netzhaut. Im Rahmen der altersbedingten Makuladegeneration kommt es zu deren Dysfunktion oder Verschwinden. Darum wird der Ersatz dieser Zellpopulation durch Transplantation derzeit als einzige ursächliche, also kurative Behandlungsform angesehen. RPE können unter anderem aus humanen induzierten pluripotenten Stammzellen (iPS) gewonnen wurden, weshalb letztere eine vielversprechende Zellquelle für die Transplantate in die degenerierte Retina darstellen. Das Vorhabenziel dieses Projektes ist es daher, die strukturelle und funktionelle Integration von RPE-Suspensions-Transplantaten aus humanen iPS-Zellen im Kaninchenmodell zu validieren. Die Herausforderung ist es, chirurgisch eine Zellsuspension unter der Netzhaut ohne Zellverlust zu platzieren und anschliessend sicherzustellen, dass das Transplantat in das umliegende Gewebe integriert und seine normalen physiologischen Funktionen aufnimmt. Hierzu wird untersucht, ob die Ersatz-RPE-Zellen abgeschilferte Photorezeptoraussensegmente aufnehmen können.

Im diesem Teilvorhaben wird das Ziel verfolgt, Protokolle zu entwickeln, um die funktionelle Integration humaner-induzierter pluripotenter Stammzellen (hiPSC) -abgeleiteter Photorezeptoren in retinale Schaltkreise zu analysieren. Dafür werden Lichtstimuli für retinale Anregung entwickelt sowie elektrische Messungen der lichtinduzierten retinalen Ganglienzellaktivität mit Mikroelektrodenarrays durchgeführt. Diese Experimente werden an Mausretinas vor und nach der Transplantation von hiPS-abgeleiteten Photorezeptoren durchgeführt. Die Ergebnisse und der Vergleich mit gesunden Retinas werden Aufschluss über den Grad der erfolgreichen funktionellen Integration geben.