Entschlüsselung der zellulären Mechanismen der Myopie

«Wir gehen davon aus, dass unsere Erkenntnisse die Art und Weise, wie die Wissenschaft über Kurzsichtigkeit denkt, grundlegend verändern werden», sagt Tiago Rodrigues, Augenarzt und Doktorand am Institut für molekulare und klinische Ophthalmologie Basel, kurz IOB. Seit seiner Gründung im Jahr 2017 ist es eine der Kernaufgaben des IOB, Myopie – also Kurzsichtigkeit – besser zu verstehen und darauf aufbauend die Grundlagen für zukünftige Therapien zu schaffen. Unter der Leitung von Cameron Cowan, Leiter der wissenschaftlichen Rechenplattform, und Botond Roska, Direktor des IOB, arbeiten Rodrigues und seine Kolleginnen und Kollegen seit einigen Jahren an der Entschlüsselung des sogenannten Rätsels der Myopie, einer Fehlfunktion, die sich dadurch auszeichnet, dass ihre Verbreitung stark zunimmt, und deren Ursachen hinter einem scheinbar komplexen Schleier verborgen sind. Kurzsichtigkeit ist eine der häufigsten Augenerkrankungen und betrifft weltweit mehr als 30 Prozent aller Menschen. Trotz ihrer Häufigkeit gibt es keine wirksamen Therapien, die auf die molekularen und zellulären Veränderungen abzielen, die zur Kurzsichtigkeit führen – vor allem, weil die Entstehung der Erkrankung noch wenig erforscht ist. In den vergangenen fünf Jahrzehnten haben Forschende grundlegende Erkenntnisse darüber gewonnen, wie sich Kurzsichtigkeit in Modellorganismen mithilfe von Linsen und anderen optischen Techniken hervorrufen oder verhindern lässt. Eine der wichtigsten Erkenntnisse aus dieser Forschung ist, dass bei Kurzsichtigkeit die visuelle Verarbeitung ein verzerrtes Wachstum des Auges bewirkt. Ausgehend von dieser Erfahrungsbasis nähern sich Rodrigues und Cowan dieser medizinischen Her­ausforderung aus einem neuen Blickwinkel, indem sie neue Technologien einsetzen, die einzelne Zelltypen und Gene untersuchen und so ein tieferes molekulares Verständnis dieses Phänomens gestatten. «Bis zu unserer Arbeit gab es viele offene Fragen darüber, welche Zellen und Gene involviert sind», erklärt Cowan. «Um wirksame und zielgerichtete Therapien entwickeln zu können, brauchen wir dieses grundlegende mechanistische Verständnis – und genau auf diese Forschungsarbeit haben wir uns am IOB spezialisiert. Wir hoffen, dass dies als Grundlage für viele Jahrzehnte der Myopieforschung und für die Entwicklung therapeutischer Strategien am IOB und anderswo dienen wird.»

Die Sehkraft junger Menschen Beim IOB will man den mechanistischen Aspekten einer Reihe von Augenerkrankungen auf den Grund gehen, indem die Forscherinnen und Forscher die zellulären Schaltkreise in Auge und Gehirn untersuchen und diese Erkenntnisse in die präklinische Entwicklung neuer Therapien einfliessen lassen. Neben der Kurzsichtigkeit sind auch andere, insbesondere altersbedingte Augenerkrankungen auf dem Vormarsch. Doch nur wenige haben so weitreichende Auswirkungen auf die Gesellschaft wie die Myopie. Dies liegt daran, dass sie häufig schon im Säuglings- oder Kindesalter beginnt und das Sehvermögen in den produktivsten Lebensjahren beeinträchtigt. Kurzsichtigkeit wird häufig mit Faktoren der modernen Umwelt in Verbindung gebracht, etwa der längeren Konzentration auf nahe gelegene Objekte wie Computer und Telefone und die Zeit, die man in Innenräumen verbringt. Diese Gegebenheiten haben sich während der Coronapandemie weiter verschärft, was die Verbreitung und den Verlauf der Erkrankung beschleunigte. Prognosen zufolge wird bis 2050 die Hälfte der Weltbevölkerung von Kurzsichtigkeit betroffen sein. «Besorgniserregend ist, dass etwa ein Zehntel der Menschen mit Kurzsichtigkeit eine starke Kurzsichtigkeit entwickeln. Bei diesen Patienten verursacht das übermässige Wachstum des Auges eine mechanische Instabilität, die zu Netzhautrissen, Netz­hautablösung, Sehnerv-Atrophie und/oder myoper Makuladegeneration führen kann», so Rodrigues. «Ein beträchtlicher Teil der Bevölkerung könnte also Gefahr laufen, aufgrund von Kurzsichtigkeit zu erblinden.» Massnahmen, die auf eine Veränderung der Umgebung abzielen, können dem Risiko der Kurzsichtigkeit entgegenwirken, beispielsweise mehr Aufenthalt im Freien und weniger Nahsehen, etwa beim Benutzen elektronischer Geräte und beim Lesen. Hat sich die Kurzsichtigkeit erst einmal entwickelt, ist sie nur schwer wieder rückgängig zu machen. Brillen und Kontaktlinsen ermöglichen zwar die Korrektur von Sehveränderungen, verlangsamen aber das weitere Fortschreiten der Erkrankung nicht. «Die bisherigen Strategien verfolgen empirische, auf eine Veränderung der Umgebung abzielende Massnahmen. Ein klares Verständnis der biologischen Mechanismen fehlt jedoch», erläutert Cowan, der sich darauf spezialisiert hat, wie das Auge die visuellen Informationen verarbeitet, die es dem Gehirn übermittelt. Zuvor leitete Cowan die Entwicklung eines Atlas menschlicher Netzhautzelltypen. «Unser erstes Ziel war es, herauszufinden, welche Zellen und Gene sich bei Beginn und während der Entwicklung von Kurzsichtigkeit verändern», so Cowan. Wachsendes Verständnis Die vielen offenen Fragen zur Kurzsichtigkeit sind nicht etwa mangelnden Bemühungen aufseiten von Forschung und Klinik weltweit geschuldet. Das Auge ist ein komplexes Organ mit über hundert Zelltypen, die jeweils Teil verschiedener biologischer Schaltkreise mit ihren speziellen Funktionen sind. Obwohl Rodrigues und Cowan zunächst die gewaltige Aufgabe in Angriff nahmen, nach Veränderungen in all diesen verschiedenen Zelltypen zu suchen, hatten sie zwei wichtige Anhaltspunkte, die ihnen halfen, ihre Suche einzugrenzen. Erstens haben frühere Forschungen gezeigt, dass das Auge das Erkennen von Unschärfen kompensieren kann, indem es wächst, sodass Objekte wieder scharf gestellt werden. Bei Kurzsichtigkeit spielt das Feedback, das diesem System zugrunde liegt, jedoch verrückt, und das Auge verlängert sich unkontrolliert. Je stärker die Kurzsichtigkeit, desto grösser und verformter das Auge und desto höher ist das Risiko eines Sehverlusts. «Es ist wirklich phänomenal und einzigartig – es gibt kein anderes Organ im Körper, in dem das Wachstum über die Sinneswahrnehmung gesteuert wird», sagt Rodrigues. «Dieses Verständnis ebnete den Weg für die heute zur Verfügung stehenden empirischen Ansätze und auch für unsere eigene Arbeit.» Der zweite Hinweis war die Tatsache, dass dieser Mechanismus – die Verlängerung des Auges als Reaktion auf eine anhaltende Defokussierung – bei einer Vielzahl von Spezies vorkommt. So konnte das Team seine Suche verfeinern, indem es nach Gen- und Zellmustern suchte, die bei verschiedenen Spezies immer wieder auftraten. Mit diesen Hinweisen startete das Team sein ambitioniertes, interdisziplinäres Projekt, um die biologischen Mechanismen der Kurzsichtigkeit zu erforschen. Eine Zelle nach der anderen Alle visuellen Signale werden von den Zellen im Augenhintergrund empfangen und verarbeitet. Deshalb begannen Rodrigues und Cowan ihre Suche mit einer umfassenden Messung, welche dieser Zellen sich während der übermässigen Verlängerung des Auges und der Entwicklung von Kurzsichtigkeit verändern. «Wir begannen mit einer Baseline-Messung aller Zelltypen im Augenhintergrund», erklärt Cowan. «Dann veranlassten wir das Auge zu einer myopischen Verschiebung, um einen Überblick darüber zu gewinnen, welche Zelltypen und Gene diese Reaktion auslösen könnten.» Dazu sammelten sie Augengewebeproben verschiedener Modellspezies und trennten die einzelnen Zellen, aus denen sich diese Gewebe zusammensetzen. Nachdem sie die Zellen isoliert hatten, führten sie die RNA-Sequenzierung einer Zelle nach der anderen durch, um zu messen, welche Gene normal und anschliessend nach der Defokussierung exprimiert wurden.

Zelle für Zelle: Die automatisierte Sequenzierungsplattform des IOB zeigt, welche Gene während des myopen Augenwachstums aktiv sind.

Der Grund für die Untersuchung von RNA- anstelle von DNA-Veränderungen rührt von der Erkenntnis her, dass Kurzsichtigkeit im Allgemeinen schwach mit genetischen, also DNA-basierten Variationen assoziiert ist. Wenngleich die DNA die genetische Vorlage für die Produktion zellulärer Komponenten wie Proteine enthält, so zeigen die RNA-Spiegel, wie viele bestimmte Proteine zu einem bestimmten Zeitpunkt bzw. ob sie überhaupt produziert werden. «Für uns war es viel sinnvoller, den RNA-Spiegel zu betrachten, da biologische Systeme durch die Regulierung der RNA-Transkriptwerte verschiedener Gene sehr schnell und dynamisch auf Veränderungen reagieren können, wohingegen die DNA statischer ist», erklärt Rodrigues. Anhand dieser Informationen identifizierte das Team, welche Zelltypen die grössten Veränderungen aufwiesen. Sie ermittelten auch, welche speziellen Gene für diese Veränderungen verantwortlich sind. Im Anschluss priorisierten sie ihre Ergebnisse anhand der Zelltypen und Gene, die bei sämtlichen getesteten Spezies konsistente Veränderungen zeigten. All diese Zellen durchzugehen, war eine mühsame und herausfordernde Aufgabe, doch schliesslich fand das Team eine Auswahlliste zellulärer und genetischer Kandidaten, die neue mechanische Einblicke in die Kurzsichtigkeit gestatteten. Allerdings musste das Team noch klären, ob einer dieser Kandidaten Kurzsichtigkeit tatsächlich verursacht. Bestätigung der Ursache «Die Einzelzellstudien zeigten, dass es zahlreiche Veränderungen in der Genexpression gibt, dies aber nur, weil sie mit der Augenverlängerung korrelieren. Das allein war kein Beweis für die Kausalität, deshalb mussten wir validieren, welche dieser Veränderungen Kurzsichtigkeit auslösen», so Rodrigues. «Dafür mussten wir ein Modellsystem entwickeln, das näher an dem ist, was im menschlichen Auge passiert.» Einige der Modelle, die der menschlichen Biologie am nächsten kommen, sind künstlich hergestellte Miniaturorgane, sogenannte Organoide. Diese vereinfachten Organe, die normalerweise weniger als einen Millimeter gross sind, werden aus menschlichen Stammzellen gezüchtet und sind somit das am besten geeignete Modell für Humantests, ohne mit Probanden arbeiten zu müssen. Hier galt es, das Gewebe zu miniaturisieren, das an den nachgelagerten Auswirkungen der genetischen und zellulären Veränderungen beteiligt ist. Das betroffene Gewebe, die Sklera, bildet die äussere Hülle des Auges und kontrolliert dessen Form während seiner normalen, aber auch bei einer abnormen Entwicklung wie der Kurzsichtigkeit. Die Sklera tut dies durch Veränderung ihrer biomechanischen Eigenschaften wie Steifigkeit oder Elastizität.

«Niemand hatte zuvor Sklera-Organoide hergestellt, also fingen wir bei null an», fügt Rodrigues hinzu. «Zusätzlich zu den Herausforderungen, die das Züchten der Organoide an uns stellte, mussten wir eine Methode entwickeln, mit der sich Veränderungen der Sklera messen lassen. Wir verbrachten etwa drei Jahre damit, dieses Modell zu entwickeln und zu optimieren.» Die Lösung war eine Methode namens Nanoindentierung, bei der eine winzige Sonde verwendet wird, die sich sanft an das Sklera-Organoid anlegt. Diese Sonde drückt auf die organoide Oberfläche und verursacht dadurch kleine Verformungen, die es ermöglichen, eine Vielzahl biomechanischer Eigenschaften zu messen. Keines dieser Merkmale ist in der Bildgebung sichtbar. Das Team stellte die Organoide her, indem es menschliche Stammzellen in Sklerazellen umwandelte und anschliessend Schichten dieses Modellgewebes züchtete. Als die Organoide geformt und für die Tests bereit waren, stellte sich als nächste Frage, ob einer der vom Team priorisierten Gen- und Zellkandidaten tatsächlich die biomechanischen Eigenschaften des miniaturisierten Skleragewebes beeinflusste. «Wir wissen, dass sich die biomechanischen Eigenschaften der Sklera während der Entwicklung der Kurzsichtigkeit verändern. Daher konnten wir mit diesen Organoiden bestätigen, dass mehrere Gene und die von ihnen codierten Proteine diese Veränderungen auslösen und somit eine ursächliche Rolle bei der Erkrankung spielen», führt Rodrigues aus. «Obwohl wir noch nicht so weit sind, dass wir Therapien entwickeln können, gehen wir davon aus, dass diese Sklera-Organoide auch ein nützliches Modell für die Erprobung von Molekülen sein werden, die in Zukunft zu Therapien führen könnten», ergänzt Rodrigues. Ein Fundament für die Zukunft «Das zu erreichen, war ein enormer Aufwand, aber die dabei entstandenen Datensätze sind qualitativ sehr hochwertig, und wir sind überzeugt, dass wir aus dem gewonnenen Wissen solide Schlussfolgerungen ziehen können», so Rodrigues. Das Team hat auf Basis der ersten Erkenntnisse bereits eine Vielzahl von Vorhersagen geprüft. Viele dieser Tests haben ihre Hypothesen erfolgreich validiert. «Schon jetzt sind unsere Ergebnisse überraschend und eindrucksvoll», sagt Cowan. Cowan und Rodrigues heben hervor, dass das einzigartige Umfeld des IOB entscheidend dazu beigetragen hat, einen solch umfassenden Datensatz zu erstellen. Zu ihrem Team gehörten Spezialistinnen und Spezialisten für Optik, Molekularbiologie, Zelltechnik, Einzelzellgenomik, Computermodelle und natürlich Experten auf dem Gebiet der Kurzsichtigkeit. Sie würdigen auch die Beiträge ihrer Kolleginnen und Kollegen an Universitäten in New York und Texas. «Für diese Forschung waren viele Techniken und unterschiedliches Know-how vonnöten. Wir können uns glücklich schätzen, dass das IOB ein Umfeld schafft, das all dies zusammenbringt», sagt Rodri­gues. «Das Zusammenspiel der verschiedenen Komponenten machte unsere Arbeit erst möglich – eine Seltenheit, vor allem im Bereich der Kurzsichtigkeit. Wir hoffen sehr, dass die neuen mechanistischen Erkenntnisse aus unserer Forschung den Fortschritt hin zu einer besseren Behandlung der Kurzsichtigkeit beschleunigen», fügt er hinzu.

Wissenschaft Das Ende der Kurzsichtigkeit.

Entschlüsselung der zellulären Mechanismen der Myopie Angesichts der weltweit stark ansteigenden Zahl von Myopie-Diagnosen werden dringend neue medizinische Behandlungen benötigt, um die Kurzsichtigkeit von Millionen von Betroffenen zu korrigieren. Mit der Untersuchung der zellulären und genetischen Faktoren, welche die Erkrankung zu verursachen scheinen, hat das IOB neue Ansätze herausgearbeitet, die innovative Medikamente hervorbringen könnten. Text von K.E.D. Coan, Fotos und Videos von Laurids Jensen.

Für ihre Studie arbeiteten Cameron Cowan und Tiago Rodrigues oft in Laboren in den Vereinigten Staaten, die über die notwendige Ausrüstung verfügten.

Das Zerkleinern der Zellen und die Analyse der DNA glich einem riesigen Puzzle.