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Die Netzhaut ist das Licht absorbierende Gewebe im Auge. Sie ist aus drei neuronalen Zellschichten aufgebaut, welche an der Verarbeitung des Lichtsignals beteiligt sind. Die Photorezeptoren (Zapfen und Stäbchen) in der äussersten Schicht nehmen das Licht auf und generieren ein Signal welches über die Neuronen der nächsten Schicht an die Ganglienzellen in der innersten Schicht der Netzhaut weitergegeben wird. Die Ganglienzellen leiten das Signal schliesslich durch den optischen Nerv an den visuellen Cortex im Gehirn weiter, wo die weitere Bildverarbeitung stattfindet.
Erblindung durch die Degeneration der Netzhaut ist häufig durch den Verlust von Photorezeptoren (Stäbchen und Zapfen) und/oder des retinalen Pigmentepithels (RPE) bedingt. Von den vielen Erkrankungen die zu einer Netzhautdegeneration führen können beschäftigt sich unser Labor hauptsächlich mit der altersabhängigen Makuladegeneration (AMD; bis zu 15% der Leute über 65 sind davon betroffen) und der Retinitis Pigmentosa (RP; eine in 3500 Personen leidet darunter). Bei der AMD degenerieren die Sehzellen und das RPE in der zentralen Netzhaut (Makula), was zu einem zentralen Gesichtsfeldausfall führt. Bei der RP sterben die Sehzellen in der peripheren Netzhaut, was zuerst zu einer Einschränkung des äusseren Gesichtsfeldes führt (Tunnel- oder Röhrenblick), bis im Endstadium meistens die totale Erblindung eintritt.
Obwohl weltweit viele Patientinnen und Patienten unter einer Netzhautdegeneration leiden, werden erfolgreiche Behandlungsmöglichkeiten immer noch dringend benötigt. Um neue Behandlungsmöglichkeiten zu entwickeln, wollen wir in einem ersten Schritt die Grundlagen der Netzhautphysiologie verstehen und dann die molekularen Vorgänge erkennen, die zur Auslösung und Progression des degenerativen Prozesses führen. Wenn diese Vorgänge bekannt sind können wir gezielte therapeutische Massnahmen entwickeln, um in degenerativen Abläufe einzugreifen und die Netzhaut zu schützen. Das Ziel besteht darin, trotz dem Vorhandensein eines toxischen Stimulus (z.B. einer Mutation) die Photorezeptoren zu stabilisieren und dadurch die Progression der Krankheit zu verhindern oder zumindest zu vermindern. Gelingt dies, kann auch die Sehkraft für Patientinnen und Patienten für eine längere Zeit erhalten werden.
Unser Labor verfolgt im Wesentlichen drei Forschungsschwerpunkte, die aber untereinander quervernetzt sind. Neben dem allgemeinen Verständnis der Netzhautphysiologie ist unser mittelfristiges Ziel, mit diesen drei Schwerpunkten Möglichkeiten für die Entwicklung von Therapien für Netzhautpatienten aufzuzeigen.
Einen ersten Schwerpunkt setzen wir bei der Identifizierung der molekularen Signalwege während des degenerativen Prozesses. Dabei konzentrieren wir uns nicht nur auf die Prozesse, welche die Degeneration steuern, sondern vor allem auch auf Mechanismen, welche die Netzhaut zum eigenen Schutz aktivieren kann. Wenn wir diese Signalkaskaden kennen, können wir regulierend eingreifen und somit die Photorezeptoren womöglich schützen. Einige wichtige Moleküle in diesen schützenden Signalwegen konnten wir in den letzten Jahren erfolgreich identifizieren. Darunter befinden sich Zytokine wie ‘Leukemia inhibitory factor’ (LIF) oder Erythropoietin (EPO), oder auch Transkriptionsfaktoren (wie STAT3). Wichtig ist dabei auch die Kommunikation zwischen verschiedenen Zelltypen in der Netzhaut, besonders diejenige zwischen Sehzellen und Müllergliazellen.
Sauerstoff ist zentral für die Funktion der Netzhaut. Während die Zellen der inneren Schichten durch Blutgefässe in der Netzhaut versorgt werden, erhalten die Photorezeptoren ihren Sauerstoff und ihre Nährstoffe vornehmlich von den Gefässen der Aderhaut (Choroid). Bei vielen degenerativen Erkrankungen ist dieser Zufluss gestört. Ein verminderter Blutfluss oder Veränderungen im Gewebe können zu Sauerstoffarmut (Hypoxie) und somit zur Unterversorgung der Zellen führen. Zentral für die zelluläre Antwort auf Sauerstoffarmut sind die HIF (‘hypoxia inducible factor’) Transkriptionsfaktoren. Während eine chronisch fehlende oder überschiessende Aktivität von HIF aufgrund von Sauerstoffveränderungen zu Missbildungen des Netzhautgefässsystems oder zu degenerativen Prozessen in neuronalen Zellen führen kann, ist eine kurzzeitige akute Antwort auf Hypoxie protektiv für Sehzellen. Wir untersuchen einerseits die Mechanismen, die zu diesem Schutz durch akute Hypoxie führen, und andererseits die Auswirkungen einer chronischen hypoxischen Antwort, besonders im Hinblick auf die altersabhängige Makuladegeneration. Dabei haben wir festgestellt, dass eine langfristige Aktivierung von HIF1 in den Stäbchen und von HIF2 im retinalen Pigmentepithel zur Degeneration führt (Kurihara et al., Elife, 2016;e14319). Aufgrund von diesen Erkenntnissen entwickeln wir eine Gentherapie die auf eine Reduktion dieser Faktoren ausgerichtet ist.
Das RPE übernimmt eine essentielle Funktion im Sehprozess und formt eine funktionelle Einheit mit den Sehzellen. Die Epithelzellen regulieren viele wichtige Prozesse und sind unter anderem für die Aufrechterhaltung der äussern Blut-Netzhautschranke zuständig, rezyklieren das Sehpigment und regulieren die Versorgung der Sehzellen mit Sauerstoff und Nährstoffen. Zusätzlich nehmen die Zellen täglich einen abgestossenen Teil der Sehzellen auf, bauen das Material ab und exportieren es entweder in Richtung der Blutgefässe zum Abtransport oder in Richtung der Sehzellen als Bautsteine für neue Zellbestandteile. Ein grosser Teil dieses Materials besteht aus Lipiden (zum Beispiel Cholesterol) die, wenn sie nicht richtig exportiert werden, zur Degeneration der RPE Zellen führen können. Der Lipidstoffwechsel und Mutationen in Genen die in diesen Stoffwechsel eingreifen wurden daher auch mit der Entstehung der altersabhängigen Makuladegeneration (AMD) in Verbindung gebracht. Aus Stammzellen von Patientinnen und Patienten generieren wir über einen Differenzierungsprozess RPE Zellen und untersuchen an ihnen die Mechanismen des Lipidstoffwechsels und wie die Beeinträchtigung dieser Aktivität zur Degeneration führen kann. Eine pharmakologische Unterstützung dieses Stoffwechsels könnte helfen, die Ausprägung der AMD zu verhindern oder zu verzögern.
Wir verwenden sowohl Tiermodelle als auch Zellsysteme, um die molekularen Vorgänge in der Netzhaut zu studieren. Da es sich bei der Netzhaut um ein komplexes neuronales Gewebe handelt, ist eine Kultivierung der Netzhaut ausserhalb des Körpers nur sehr beschränkt möglich. Die generellen Untersuchungen geschehen mittels histologischen, biochemischen und gängigen molekularbiologischen Methoden. Licht-, Elektronen- und Fluoreszenzmikroskopie werden ebenso eingesetzt wie moderne Analysemethoden zur Bestimmung der Genexpression und Proteinaktivität. Die Funktion der Netzhaut bestimmen wir durch das Aufnehmen von Elektroretinogrammen. Der Optomotor Response Test (OMR) dient zur Analyse der Sehschärfe bei Mäusen und des visuellen Systems als Ganzes. Fundusbilder (Bilder des Augenhintergrundes) und die Optical Coherence Tomographie zur bildgebenden Untersuchung des Augenhintergrundes helfen uns, die Integrität der Netzhaut im lebenden Tier zu untersuchen.
Speziellere Methoden beinhalten die Gentherapie durch adeno-assoziierte Viren (AAV), die Herstellung und Untersuchung von induzierten RPE Zellen aus Stammzellen von Patienten, die Analyse der Gesamtheit der überschriebenen Gene durch RNA Sequenzierung und single-cell sequencing, die Aufschlüsselung der Proteine im Gewebe durch Proteomics, sowie die 2-Photonen Mikroskopie zur Untersuchung der metabolischen Aktivitäten in Sehzellen.
Weitere Informationen: LabForRetinalCellBiology
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