MicroRNA Profiling of Human Primary Trabecular Meshwork Cell, Trabecular Meshwork Progenitor Cell Spheres and Their Differentiated Cells

Im Inneren des Auges fungiert ein winziges, aber lebenswichtiges Gewebe namens Trabekelmaschenwerk als Drainagefilter, der es der Flüssigkeit ermöglicht, abzufließen und den Druck auf einem sicheren Niveau zu halten. Wenn die Zellen, aus denen dieser Filter besteht, absterben oder aufhören zu arbeiten, staut sich Flüssigkeit an, der Druck steigt und der Sehnerv kann geschädigt werden, was zu einer Erkrankung führt, die als primäres offenes Winkelglaukom bekannt ist. Diese Krankheit ist die weltweit führende Ursache für irreversibles Erblinden. Jahrelang wussten Wissenschaftler, dass das Auge über einen kleinen Vorrat an unreifen Zellen, oder Progenitorzellen, verfügt, die theoretisch in der Lage wären, die verlorenen Filterzellen zu ersetzen und die Funktion wiederherzustellen. Die Frage war jedoch nicht nur, ob diese Zellen existieren, sondern wie sie gesteuert werden, welche Signale ihnen sagen, dass sie jung bleiben sollen, und welche Kräfte sie dazu drängen könnten, sich zu verändern oder die Arbeit einzustellen, wenn das Auge unter Stress steht.

Um dieses Rätsel zu lösen, wandten sich Forscher der University of Liverpool und der Ulster University einer speziellen Art von genetischer Anweisung zu, die als microRNA bekannt ist. Dies sind winzige Moleküle, die selbst keine Proteine bauen, sondern stattdessen als Schalter fungieren, die andere Gene an- oder ausschalten, um das Verhalten einer Zelle zu steuern. Das Team wollte den einzigartigen Satz dieser Schalter kartieren, die die Identität der Reparaturzellen des Auges im Vergleich zu den reifen, arbeitenden Zellen des Drainagefilters definieren. Sie sammelten Gewebe aus den Augen von drei menschlichen Spendern im Alter zwischen 21 und 85 Jahren. Aus diesem Gewebe isolierten sie die reifen Drainagezellen und züchteten auch die unreifen Progenitorzellen heraus, indem sie diese zu kleinen, schwebenden Clustern heranwachsen ließen, die dem natürlichen Zustand der Zellen entsprechen. Anschließend ließen sie einige dieser Cluster zu differenzierten Zellen ausreifen, wodurch sie drei unterschiedliche Gruppen zum Vergleich erzeugten: die ursprünglichen reifen Zellen, die unreifen Progenitorcluster und die neu gereiften Zellen.

Unter Verwendung fortschrittlicher Sequenzierungstechnologie lasen die Forscher die in jeder Gruppe vorhandenen genetischen Anweisungen aus, um zu sehen, welche microRNA-Schalter aktiv waren. Sie fanden heraus, dass die unreifen Progenitorcluster eine sehr deutliche genetische Signatur aufwiesen, die sich deutlich von den reifen Zellen unterschied. Diese Signatur beinhaltete achtzehn spezifische microRNAs, die bei den verschiedenen Spendern konsistent aktiv oder inaktiv waren. Als das Team untersuchte, welche biologischen Prozesse diese achtzehn Schalter steuerten, zeichnete sich ein klares Bild ab. Sie waren stark an der Aufrechterhaltung eines flexiblen, stammzellähnlichen Zustands der Zellen, der Verwaltung der Baumaterialien der Umgebung der Zelle und der Reaktion auf ein spezifisches chemisches Signal namens TGF-beta beteiligt. Dieses Chemikal ist bekannt dafür, in den Augen von Menschen mit Glaukom erhöht zu sein, und ist ein Haupttreiber der Krankheit.

Die Forscher gleichen ihre Ergebnisse dann mit früheren Daten darüber ab, wie die Drainagezellen des Auges reagieren, wenn sie hohen Mengen dieses TGF-beta-Chemikals ausgesetzt sind. Dabei entdeckten sie einen frappierenden Konflikt. Acht der microRNAs, die in den gesunden, unreifen Reparaturzellen aktiv waren, änderten unter der Einwirkung des krankheitsverursachenden Chemikals die entgegengesetzte Richtung. Beispielsweise wurde eine microRNA, die half, das Potenzial der Reparaturzellen aufrechtzuerhalten, unterdrückt, wenn das Chemikal vorhanden war, während andere, die die Zellen normalerweise in Schach hielten, hochreguliert wurden. Dies deutet darauf hin, dass das chemische Signal, das beim Glaukom ansteigt, aktiv gegen den natürlichen Reparaturmechanismus des Auges arbeitet und die Anweisungen, die es den Progenitorzellen ermöglichen würden, verlorenes Gewebe zu ersetzen, effektiv zum Schweigen bringt.

Um sicherzustellen, dass diese Ergebnisse nicht nur ein Zufall einer einzelnen Testmethode waren, wiederholte das Team die Messungen mit einer anderen, hochpräzisen Technologie namens NanoString, die die Moleküle direkt zählt, ohne Amplifikation. Die Ergebnisse stimmten perfekt überein und bestätigten, dass die achtzehn microRNAs eine zuverlässige Signatur der Reparaturzellen des Auges bilden. Das Team kartierte auch, welche Gene diese microRNAs wahrscheinlich steuern. Sie fanden heraus, dass diese Schalter Schlüsselgene kontrollierten, die an der Zellteilung und der Rezeption chemischer Signale beteiligt sind, einschließlich Genen, die der Zelle helfen zu entscheiden, ob sie jung bleiben oder sich spezialisieren soll. Eines der wichtigsten Ziele war ein Gen, das der Zelle hilft, das TGF-beta-Signal zu empfangen; dieses Gen wurde in den Reparaturzellen heruntergeregelt, was darauf hindeutet, dass die Zellen von Natur aus weniger empfindlich auf die Stresssignale abgestimmt sind, die den Glaukom vorantreiben.

Die Studie behauptet nicht, das Glaukom geheilt zu haben oder bewiesen zu haben, dass diese Zellen in einem Patienten leicht wiederbelebt werden können. Stattdessen liefert sie eine präzise molekulare Karte davon, wie die Reparaturzellen des Auges derzeit reguliert werden und wie diese Regulierung durch die Krankheitsumgebung gestört wird. Die Autoren legen nahe, dass dieses detaillierte Verständnis der genetischen Schalter neue potenzielle Angriffspunkte für zukünftige Therapien bietet. Durch die Entwicklung von Medikamenten, die diese spezifischen microRNAs nachahmen oder blockieren können, könnte es eines Tages möglich sein, das Auge vor den schädlichen Auswirkungen von hohem Druck und chemischem Stress zu schützen oder sie dazu zu bewegen, die verlorenen Filterzellen zu ersetzen. Für den Moment stellt die Arbeit eine klare Definition der genetischen Identität dieser schwer fassbaren Zellen und eine Demonstration dar, wie die Krankheitsumgebung die eigenen Reparaturversuche des Körpers aktiv bekämpft.