Edényben nőtt retinák kukucskáltak a kutatókra

Amerikai kutatók egy csoportja szinte a semmiből, edényekben hozott létre emberi retinákat. A bámulatos előrelépés egyúttal egy olyan titokról is lerántotta a leplet, amit a tudomány képviselői már évtizedek óta próbálnak megfejteni: miként láthatjuk olyan színpompásan a minket körülvevő világot? Hogyan születnek meg a szem ezt lehetővé tévő „komponensei”? A felfedezésről a rangos Science magazinban megjelent publikáció egyik szerzőjét kérdeztük.

A Johns Hopkins Egyetem kutatója, Robert Johnston azt vizsgálta, hogyan jönnek létre a színlátásért felelős sejtjeink, amelyeket csapoknak hívunk és a pálcikák mellett a retina felépítésében vesznek részt. Csapokból három fajtával rendelkezünk: az egyik kék, a másik vörös, a harmadik zöld fényre érzékeny. A színlátásnak ezt a típusát trikromát látásnak keresztelték el.

Mivel a csapsejtek az embrionális fejlődés során alakulnak ki a magzat látószervében, a módosulásokat szervezeten belül kvázi lehetetlen tanulmányozni. Szerencsére kéznél vannak azok az őssejtek, amelyeket manipulálva akár egy edényben is elkészíthetők a retina szövetei.

Az így kapott retinaszerű anyagot retinális organoidoknak nevezzük.

Forrás: Johns Hopkins University

Az organoid okos, tudja a dolgát

„Az egyik dolog, ami megdöbbentett minket, hogy a retinális organoid fejlődése visszatükrözi a valódi emberi retináét: a sejtek ugyanabban az időben jönnek létre, ugyanúgy néznek ki és a gének is egyforma módon funkcionálnak” – nyilatkozta Johnston az Origónak. – „Mivel a terhesség normál esetben kilenc hónapig tart, az időtartamot figyelembe véve nagy nehézséget jelentett a retinában zajló folyamatok tanulmányozása – felmerült tehát az ötlet, hogy az organoidok laboratóriumi kitenyésztésével és vizsgálatával talán kinyomozhatjuk, hogy e hosszú idő alatt milyen változások is zajlanak az anyaméhen belül.”

Forrás: Science Photo Library/KATERYNA KON/SCIENCE PHOTO LIBRARY/Kateryna Kon/Science Photo Libra

A Johns Hopkins munkatársai által alkalmazott technikát eredetileg a japán Yoshiki Sasai dolgozta ki, de Johnston szerint a rendszer képességeit a végsőkig ki kellett tolni, hogy megválaszolhassák az emberi fejlődéssel kapcsolatos legégetőbb kérdéseiket. Először is felszaporították az őssejteket, majd olyan jelzéseket adtak nekik, hogy retinális szövetet képezzenek. Nagyjából egy hónap múlva a szignálokat megszüntették, és hagyták, hogy a kapott szövetek önmaguktól fejlődjenek tovább az edények táptalaján.

Robert Johnston Forrás: Johns Hopkins University

A retinális organoidok növekedése hónapokig eltartott, ami lehetőséget adott a kutatóknak arra, hogy a sejteket, valamint a bennük zajló eseményeket alaposan górcső alá vegyék.

„Felvállaltuk ezt az embert próbáló kihívást, és egy éven át folyamatosan nyomon követtük az organoidok fejlődését, a változásokat különböző időpontokban ellenőriztük.

Ennek köszönhetően derült ki, hogy legelőször a kék, majd a piros és zöld szín érzékeléséért felelős sejtek alakultak ki – az egész arra emlékeztetett, mintha a csapok létrejötte során egy időzítő döntött volna szerepükről

– mondta Johnston. – „Ami igazán érdekes, hogy a fejlődő organoid pontosan »tudja«, mit kell csinálnia. Miután elküldtük az őssejteknek a szükséges instrukciókat, hogy retinális szövetekké rendeződjenek, nem avatkoztunk közbe semmilyen speciális kémiai anyaggal vagy szignállal, az organoidok maguktól hozták létre a színérzékelő sejteket".

Egy csap (b) és egy pálcika (j) illusztrációja Forrás: Science Photo Library/ROGER HARRIS/SCIENCE PHOTO LIBRARY/Roger Harris/Science Photo Libra

Sokszínű hormon

A következő lépés egyértelműnek bizonyult: ki kellett deríteni, mi is valójában a szóban forgó időzítő, és miként befolyásolja a dolgok menetét.

Minek köszönhető, hogy elsőként a kékre érzékeny sejtek születnek meg, és csak aztán követik őket a vörösért és zöldért felelős csapok?

– tette fel a költői kérdést Johnston.

Korábbi, egerekkel, halakkal és csirkékkel végzett kísérletek során térképezték fel a tudósok azokat a géneket, amik a pajzsmirigyhormon működésében fontos szerepet töltenek be.

Mi azt a hipotézist állítottuk fel, hogy a kezdetben alacsony pajzsmirigyhormon-szint miatt jelennek meg először a kék érzékelését végző sejtek, és később, amikor a hormonszint már magasabb lesz, létrejönnek a piros és zöld észlelésére képes csapok

– mondta Johnston, aki elméletét kísérlettel támasztotta alá; méghozzá úgy, hogy „belenyúlt” a pajzsmirigyhormon funkciójába. A legmodernebb génszerkesztő technika, a CRISPR alkalmazásával kiiktatták a pajzsmirigyhormon-receptorokat és így olyan organoidokat alkottak, amik csak kékre voltak érzékenyek. Más organoidok esetében a hormon mennyiségét már a fejlődés korai fázisában megnövelték, így viszont csak vöröst és zöldet detektáló sejtekhez jutottak a szakemberek.

„A látványos eredmények egyértelművé tették, hogy a pajzsmirigyhormonnak kulcsszerepe van abban, hogy képesek legyünk színérzékelő sejteket növeszteni a szemünkben” – mondta Johnston.

Forrás: BSIP/JACOPIN / BSIP/Jacopin

A szem mint a hormontermelés szabályozója?

Akadt azonban még egy rejtély, ami nem hagyta nyugodni az amerikai kutatót és kollégáit. „Amennyiben a pajzsmirigyhormon szabályozza a színérzékelő sejtek kifejlődését, hogyan történhet meg mindez – hiszen az edényekben nem kreáltunk külön pajzsmirigyet?” – csodálkozott rá az eredményre Johnston –

Magának a szemnek kell kontrollálnia a pajzsmirigyhormon-szintjét.

Újabb hipotézis született tehát, amit egy újabb kísérlettel kellett alátámasztani. Ehhez egy éven át figyelték, hogy a látószerv fejlődése során mely gének kapcsolódnak be és ki. Azt találták, hogy a korai fázisban – amikor a kékre érzékeny sejtek alakulnak ki - a pajzsmirigyhormont lebontó gének aktívak, ezzel szemben később pajzsmirigyhormont aktiváló gének lendülnek akcióba, hogy a vörös és zöld színt érzékelő sejtek létrejöhessenek.

Érdekes eredmény, de mégis mire használhatjuk a gyakorlatban?

„Munkánk két szempontból különös jelentőségű: egyrészt többet tudtunk meg a magzat fejlődéséről, másrészt új lehetőségek nyílnak meg a látászavarok kezelésében” – hangsúlyozta Johnston. Hozzátette: már korábban is voltak arra utaló jelek, hogy koraszülöttek esetében a látásproblémák összefüggésben voltak a pajzsmirigyhormon-szint változásaival. A mostani vizsgálatoknak hála, végre tisztázódott a helyzet, ismertté vált a konkrét mechanizmus és az ok is, így új terápiák kifejlesztése indulhat meg a jövőben.

Johnston szerint a kék, piros és zöld színt érzékelő sejteket tartalmazó retinák mesterséges létrehozása különösen a makuladegeneráció, illetve a színvakság gyógyításában hozhat jelentős áttörést.

A makuladegeneráció illusztrációja Forrás: BSIP/JACOPIN / BSIP/Jacopin

Természetesen – ahogy minden kutatómunka esetében lenni szokott – maradtak még megválaszolatlan kérdések:

• Pontosan melyek azok a sejtek, amik a pajzsmirigyhormon-szintet irányítják? Miként szabályozódnak időszakosan?
• Mely mechanizmusok döntik el, hogy piros vagy zöld színt érzékelő sejtek alakuljanak ki?
• Hogyan jön létre a látásban központi szerepet betöltő makula embereknél?
• Hogyan keletkeznek a retina és az agy között összeköttetést teremtő retinális ganglionsejtek? Miként pusztítja el ezeket a glaukóma (zöldhályog)?

Utóbbi kérdések megválaszolásához további kutatásokra van szükség.

A publikáció részletesebben erre a linkre kattintva olvasható