Warum die Überlebensrate von Photorezeptorzellen nicht 100 % erreicht: Schlüsselmechanismen aufgeklärt

Wissenschaftler der University of Pennsylvania unter der Leitung von Raghavi Sudharsan haben herausgefunden, warum etwa 70 Prozent der transplantierten photosensorischen Vorläuferzellen (PRPCs) aus induzierten pluripotenten Stammzellen innerhalb der ersten Tage nach der Transplantation in die Netzhaut absterben. Ihre in der Zeitschrift Stem Cell Research & Therapy veröffentlichte Arbeit weist auf metabolischen Stress in den Spenderzellen als Hauptursache für den frühen Verlust hin.

Voraussetzungen

Die Transplantation von PRPCs gilt als vielversprechender Ansatz bei fortschreitenden degenerativen Erkrankungen der Netzhaut (Retinitis pigmentosa, Makuladegeneration). Die geringe Überlebensrate der Spenderzellen schränkt jedoch die Wirksamkeit der Therapie ein. Bisher lag der Schwerpunkt auf der Unterdrückung der Immunantwort, doch selbst bei umfassender Immunsuppression blieben die Verluste katastrophal.

Design und Methoden

1. Ausführungen:

   • Gesunde Hunde und Modellhunde mit Retinitis pigmentosa erhielten subretinale Injektionen von fluoreszenzmarkierten PRPCs.

2. Überlebensschätzung:

   • Mittels Fluoreszenzangiographie und optischer Kohärenztomographie (OCT) wurde das Volumen der transplantierten Zellen am ersten, dritten und siebten Tag erfasst.

3. Einzelzell-Transkriptomik (scRNA-seq):

   • Am dritten Tag wurden PRPCs aus Netzhautstellen isoliert und die Expression von Genen analysiert, die mit dem Stoffwechsel und der Apoptose in Zusammenhang stehen.

4. Immunhistochemie:

   • Im Transplantationsbereich wurden oxidative Stressmarker (4-HNE), der mitochondriale Status (Tom20) und die Mikroglia-Aktivierung (Iba1) beurteilt.

Wichtigste Ergebnisse

• Massiver Zellverlust: Ungefähr 70 % der PRPCs sind trotz Immunsuppression bis zum 7. Tag sowohl in der gesunden als auch in der degenerierten Netzhaut verschwunden.
• Metabolischer Stress: scRNA-seq ergab eine dramatische Abnahme der Expression von Genen für oxidative Phosphorylierung (CYCS, COX4I1) und eine Zunahme der Transkription apoptotischer Marker (BAX, CASP3).
• Mitochondriale Dysfunktion: Die Immunhistochemie zeigte eine Fragmentierung und einen Verlust der Tom20-Markierung in transplantierten PRPCs, und erhöhte 4-HNE-Werte deuteten auf oxidative Schäden hin.
• Rolle der Mikroglia: Im Transplantationsbereich nahm die Aktivität der Iba1⁺-Mikrogliazellen als Reaktion auf den Tod der PRPCs zu, was die lokale Entzündung verschlimmern und zu weiteren Verlusten beitragen könnte.

Auswirkungen auf Zelltherapien

Diese Erkenntnisse ändern das Paradigma: Um die Ansiedlung von PRPCs zu erhöhen, ist es nicht nur notwendig, die Immunantwort zu unterdrücken, sondern auch den Energiestoffwechsel der Spenderzellen zu unterstützen. Mögliche Interventionen:

• Vorläufiges „metabolisches Vortraining“ von PRPCs unter normalen Kulturbedingungen an der Grenze der Substress-Belastung, um ihre mitochondriale Widerstandsfähigkeit zu verbessern.
• Cocktails mitochondrialer Stabilisatoren (Coenzym Q₁₀, Carnitin) während und unmittelbar nach der Transplantation.
• Modulation des lokalen Mikromilieus der Netzhaut: Zufuhr von Antioxidantien oder mitochondrialen Schutzstoffen in den Transplantationsbereich.

Praktische Schlussfolgerungen und Aussichten

• Metabolische Präkonditionierung: Konditionierung von PRPCs unter milden metabolischen Stressbedingungen vor der Transplantation, um ihre Widerstandsfähigkeit zu erhöhen.
• Gerüstabgabe: die Verwendung biologisch abbaubarer Matrizen, die den allmählichen Übergang der Spenderzellen aus einem reichhaltigen Kulturmedium in die Netzhautumgebung gewährleisten.
• Ernährungsunterstützung: Zufuhr von Antioxidantien oder Substraten der mitochondrialen Atmung in Verbindung mit PRPCs.

„Wir haben lange nur gegen die Immunbarriere gekämpft, aber jetzt ist klar, dass Transplantationen ohne Lösung des Problems des metabolischen Schocks zum frühen Tod verurteilt sind“, schlussfolgert Raghavi Sudharsan.

Die vom National Eye Institute unterstützte Arbeit ebnet den Weg für praktikablere Zelltherapien zur Wiederherstellung des Sehvermögens bei Patienten mit degenerativen Netzhauterkrankungen.