Retina-on-a-Chip – Physiologisches 3D-Modell der menschlichen Retina

Degenerative Erkrankungen der Netzhaut (Retina) wie die altersbedingte Makuladegeneration oder Retinitis pigmentosa sind die häufigsten Ursachen für den Verlust des Sehvermögens [1]. Bestehende In-vitro- oder In-vivo-Modellsysteme für die Erprobung neuer pharmazeutischer Wirkstoffe sowie die mechanistische Forschung können den Aufbau und die Komplexität der menschlichen Retina nur sehr begrenzt darstellen. Neue Errungenschaften auf dem Gebiet der Stammzellbiologie, insbesondere der induzierten pluripotenten Stammzellen (engl. Induced Pluripotent Stem Cells, iPSC), ermöglichen es, komplexe dreidimensionale Gewebestrukturen nachzubilden. Stammzellbasierte Retina-Organoide (RO) bestehen aus einer Vielzahl unterschiedlicher Zelltypen und imitieren dadurch einen großen Teil der Struktur des Retinagewebes [2]. Allerdings sind auch ROs noch stark limitiert, vor allem in Hinblick auf die Interaktion der Photorezeptoren mit dem umliegenden Gewebe, deren Maturierung sowie der Vaskularisierung.

Mikrophysiologische In-vitro-Modelle bzw. Organ-on-a-Chip-Systeme (OoC-Systeme) stellen eine neue Technologie dar, die die bisherige Entwicklung von Arzneimitteln revolutionieren können. Durch die Integration von physiologisch relevantem menschlichen Gewebe in einer mikrofluidische Umgebung bieten OoCs viele Vorteile, wie beispielsweise ein gewebeähnliches Mikromilieu und die Vaskularisierung.

Abb. 1: Retina-on-a-Chip. || Abb. 2: Interaktion von Photorezeptoren des Retina-Organoids mit retinalem Pigmentepithel.

Das in diesem Projekt entwickelte Retina-on-a-Chip-System (Abb. 1) kombiniert menschliche iPSC-basierte ROs und OoCs und ist damit in der Lage, eine physiologische Interaktion von Photorezeptoren und dem umliegenden retinalen Pigmentepithel zu ermöglichen (Abb. 2). Diese Interaktion ist entscheidend für die Funktionalität der Retina und war bisher in vitro nicht nachweisbar. Der entwickelte Retina-on-a-Chip hat daher großes Potenzial als physiologisch relevantes Testsystem für die Entwicklung und Erprobung neuer pharmazeutischer Wirkstoffe sowie der Erforschung von Krankheitsursachen.

Literatur

[1] J. M. Colijn et al. (2017) Prevalence of age-related macular degeneration in Europe: The past and the future, Ophthalmology 124(12): 1753–1763

[2] X. Zhong et al. (2014) Generation of three-dimensional retinal tissue with functional photoreceptors from human iPSCs, Nat Commun 5: 4047

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