Wie man ein Ohr wachsen lässt und warum

Jun 15, 2023

Dan erwarb einen Doktortitel in Biochemie an der SUNY Buffalo und absolvierte Postdoktorandenstipendien am USDA und an der Carnegie Mellon University. Er ist ein freiberuflicher Autor, dessen Arbeiten in Massive Science, The Daily Beast, VICE und GROW erschienen sind. Dan interessiert sich vor allem dafür, darüber zu schreiben, wie Moleküle zusammenarbeiten, um Phänomene in Körpergröße zu erzeugen.

Das erste, was die meisten Wissenschaftler tun, wenn sie etwas untersuchen, ist, es zu betrachten. Ein Chiropterologe betrachtet eine Fledermaus. Ein Geologe betrachtet die Erde. Aber für einen Wissenschaftler, der sich für das Innenohr interessiert, wird es schwieriger. Es ist schwer, ein Innenohr zu untersuchen, das an einem lebenden Tier befestigt ist, das dieses Ohr zum Hören und Gleichgewicht benötigt, ohne entweder die darin untergebrachten empfindlichen Zellen abzutöten, die komplexe Ohrstruktur selbst zu zerstören oder einfach das gesamte System aus dem Gleichgewicht zu bringen. In diesen Fällen ist es einfacher, im Labor ein Ohr oder etwas Ähnliches wachsen zu lassen und es stattdessen zu untersuchen.

Wissenschaftler stellen seit Jahren Organoide aus verschiedenen Geweben wie Gehirnen, Nieren und Lebern her (1–3). Für äußere Gewebe wie das Ohr steckt das Gebiet jedoch noch in den Kinderschuhen. Aber in den letzten Jahren gab es eine Welle von Fortschritten in der Molekularbiologie des Hörverlusts und eine wachsende Fähigkeit, die komplexe Architektur des Ohrs im Labor mithilfe von Stammzellen genau zu modellieren.

Hörverlust ist nach Herzerkrankungen und Arthritis die dritthäufigste gesundheitliche Herausforderung bei Erwachsenen. Weltweit sind etwa 1,3 Milliarden Menschen davon betroffen, wobei Genetik, Infektionen und Umgebungslärm zu den häufigsten Ursachen zählen (4). Schwerhörigkeit ist häufig auf geschädigte Haarzellen zurückzuführen. Diese hochspezialisierten Zellen wandeln die Auslenkungen ihrer haarähnlichen Fortsätze in der Cochlea in neuronale Signale um. Im Laufe des Lebens verschleißen diese Zellen. Da sie sich nicht regenerieren, kann dieser lebenslange Schaden am Ohr dauerhaft sein (5).

Wissenschaftler auf diesem Gebiet entwickeln neue Ohrorganoidsysteme, um Therapeutika für das Innenohr zu testen. Aufgrund der hochentwickelten, aufwändigen Architektur des Ohrs arbeiten sie unter den schwierigsten biologischen Bedingungen, die der menschliche Körper zu bieten hat. Im Laufe der Zeit haben sie gelernt, dass das beste Modell zur Untersuchung des Ohrs oft eher wie ein Zellball aussieht.

Als Karl Koehler sein Graduiertenstudium an der Indiana University begann, interessierte er sich für Stammzellen. „Besonders faszinierte mich die sensorische Entwicklung – wie wir diese wirklich komplizierten Apparate entwickeln, die äußere Signale wahrnehmen und diese an das Gehirn senden“, sagte er. Er hatte Glück. „Zufälligerweise war das einzige Labor, das neue Studenten aufnahm und sich auf sensorische Entwicklung und Stammzellen konzentrierte, ein Innenohrlabor.“

Koehler trat dem Labor von Eri Hashino bei, einem Vorreiter auf dem Gebiet der Stammzellbiologie. Als Koehler ankam, versuchten Wissenschaftler auf der ganzen Welt, reproduzierbare Methoden zu entwickeln, um mit pluripotenten Stammzellen jedes gewünschte Gewebe herzustellen. Hashinos Gruppe nutzte Stammzellen, um Hörnervenzellen zu erzeugen, die häufig durch Umwelteinflüsse wie laute Geräusche geschädigt werden und nicht nachwachsen. Köhler wollte einen anderen Weg gehen; Er wollte Stammzellen verwenden, um die Architektur des Innenohrs selbst zu modellieren, um Wissenschaftlern dabei zu helfen, herauszufinden, wie Erkrankungen des Ohrs den Informationsfluss vom Schall zum Ohr und zum Gehirn stören.

Das Gehirn ist ein großes Ziel; Das Ohr ist ein Volltreffer. - Karl Koehler, Harvard Medical School

„Das Gehirn ist ein großes Ziel; das Ohr ist ein Volltreffer“, sagte Koehler, heute Neurobiologe und Sinnesforscher an der Harvard Medical School. Aber anders als bei einer Dartscheibe ist das Innenohr nicht flach. Es handelt sich um eine komplexe, vielschichtige, dreidimensionale Struktur. Die mangelnde Wertschätzung der Dimensionalität des Ohrs führte jahrelang zu Misserfolgen bei Stammzellforschern, die versuchten, das Ohr in vitro zu modellieren oder Haarzellen zu züchten, die mechanische Stimulation in Nervensignale umwandeln. „Anstatt die Stammzellen auf einer flachen Schale zu züchten, was ganz anders ist, als sich die Zellen normalerweise im Embryo entwickeln, kann man ihnen, wenn man sie von der Schale nimmt und sie in drei Dimensionen hält, die Freiheitsgrade geben, die sie haben.“ Sie müssen sich selbst organisieren“, sagte Koehler.

In Anlehnung an eine Forschungsgruppe in Japan, die dreidimensionale Strukturen zur Züchtung von Netzhautorganoiden verwendete, züchteten Koelher und Hashino 2013 Stammzellen in Kultur mit Proteinen der extrazellulären Matrix (ECM), die als Gerüst für das sich entwickelnde Innenohr fungierten (6). . Da es sich hierbei jedoch nicht um vollständig ausgebildete Hörsysteme mit einem Gehörgang, einem Gehirn und einer Ohrmuschel handelt – der fleischigen Satellitenschüsselstruktur, die Säugetiere auf dem Kopf haben und die häufig als „Ohr“ bezeichnet wird –, ist es schwierig zu messen, wie nah das Gehör dem echten Hören kommt Organoide können bekommen.

Dennoch hätte die Entwicklung synthetischer, ohrenähnlicher Modelle im Labor zu keinem besseren Zeitpunkt kommen können.

„Kürzlich wurde ein Gesetz verabschiedet, der FDA Modernization Act 2.0, der den Grundstein dafür legt, zellbasierte Tests ausschließlich zur Validierung neuer Biologika, Arzneimittel oder Gentherapien zu verwenden, bevor mit klinischen Studien begonnen wird“, sagte Koehler. „Dadurch wird die Entwicklung und Perfektionierung zellbasierter Systeme noch wichtiger.“

Wie Koehler interessierten sich auch Jeffrey Holt und Gwenaelle Géléoc zunächst für die feineren Details des Nervensystems. Aber nichts Besonderes veranlasste sie, die Ohren zu studieren. Nachdem sie sich als junge Postdoktoranden kennengelernt hatten, zeigte sich durch den Zufall, dass sie gerne zusammenarbeiteten, und jetzt leiten sie ein gemeinsames Labor am Boston Children's Hospital.

„Ich war einfach fasziniert von den Sinneszellen und wie sie diese einzigartige Aufgabe erfüllten, einen Schallreiz in ein elektrisches Signal umzuwandeln, das an das Gehirn weitergeleitet wird. Und für mich war das Gehirn damals und auch heute noch wie ein großer Schwarzer.“ Box“, sagte Holt. „Ich wollte verstehen, wie die Informationen dort reinkamen.“

Die Gruppen von Holt und Géléoc untersuchen Ohrorganoide und entwickeln Gentherapien zur Behandlung von Hörfehlern. Sie verwenden verschiedene virale Vektoren, um das Usher-Syndrom zu untersuchen, eine unheilbare genetische Störung, die zu Hör- und Sehstörungen führt und weltweit zu den häufigsten Ursachen für Taubblindheit gehört (7).

Durch diese Arbeit hatten sich ihre Gruppen mit den feineren Mechanismen der Entwicklung von Gentherapien, wie der direkten Abgabe von Oligonukleotiden an Zellen im Labor, ziemlich gut auskennen können. „Ich glaube, es war etwa 2011, als mir klar wurde, dass dieses Zeug tatsächlich funktionieren könnte“, sagte Holt. Anstatt sich auf ein In-vitro-Modell eines Ohrs mit in einer Schale gezüchteten Zellen zu verlassen, injizierten sie Mäusen, die spezifische Mutationen trugen, die das Usher-Syndrom verursachen, Antisense-Oligonukleotide (ASO), die diese Mutationen unterdrücken können (8).

„Das Erschreckendste wurde eigentlich ‚Schreckensreaktion‘ genannt“, sagte Holt. Wie ein gehörloser Mensch reagiert eine taube Maus nicht auf ein plötzliches, unerwartetes Geräusch. „Wir können das als Verhaltenstest für eine Maus verwenden. Eine gehörlose Maus springt nicht, egal wie viel Lärm man macht. Aber diese Mäuse begannen zu springen, nachdem wir ihnen unsere ersten viralen Vektoren injiziert hatten und ein erschreckendes Geräusch von sich gegeben hatten.“ „Sprung. Und als sie erschrocken aufsprangen, fingen wir natürlich an, vor Freude zu hüpfen“, sagte Holt.

Holt und Géléoc warnten, dass der Einsatz von Organoiden und ASOs in der Klinik noch sehr in der Zukunft liegt.

Der Mensch wird mit etwa 15.000 Haarzellen geboren, die ein Leben lang halten (9). Im Gegensatz zu anderen Teilen des Körpers verfügt das Innenohr nicht über einen natürlichen Pool an Stammzellen, auf den es zurückgreifen kann, sodass sich Haarzellen nicht regenerieren, wenn sie durch Lärm oder körperliche Verletzungen beschädigt werden.

Obwohl die Forschung zur Abgabe von Stammzellen an das Ohr oder sogar zur Umwandlung benachbarter Zellen in Haarzellen noch im Gange ist, ist es laut Holt und Géléoc schwierig, für eine verlorene Haarzelle einzuspringen. Haarzellen sind nicht nur hochspezialisierte Zellen mit einzigartigen Zottenbündeln, die wie Fahnenmasten in das Ohr hineinragen, sondern auch ihre physische Positionierung im Raum ist entscheidend für ihre Funktion. Dies dürfte das am schwierigsten zu rekapitulierende Merkmal sein. Wenn eine neue Haarzelle wächst oder falsch ausgerichtet am Ohr angebracht wird, funktioniert sie nicht. Hinzu kommt, dass eine neue Haarzelle, selbst wenn sie richtig positioniert ist, möglicherweise nicht richtig mit Stützstrukturen im Ohr verbunden ist, wie zum Beispiel dem Corti-Tunnel, der Schallwellen in das Innenohr leitet. Beim Verlust der Haarzellen kollabiert der Corti-Tunnel einfach zu einem Haufen unauffälliger Zellen (9). Sich auf Stammzellen zu stürzen, in der Hoffnung, dass sie das Innenohr nachwachsen lassen, ist im Moment unerreichbar.

Jeder synthetische Biologe, Erfinder oder Tüftler muss sich eine kritische Frage stellen: Ist diese futuristische Erfindung, ein Ohrorganoid, besser als bereits existierende Lösungen?

„Es ist eine Sache, über die wir oft nicht reden, diese Herausforderung für uns“, sagte Géléoc. „Es gibt Geräte, die Patienten mit Hörverlust helfen können. Cochlea-Implantate leisten hervorragende Arbeit. Sie sind nicht perfekt, aber den meisten Patienten geht es wirklich gut damit.“

„Das macht die Arbeit noch schwieriger, denn jetzt müssen wir es besser machen. Wenn wir zur FDA gehen, müssen wir sie davon überzeugen, dass das, was wir anbieten, besser als Cochlea-Implantate oder vielleicht sogar kostenlos sein wird“, fügte sie hinzu.

Eine Stammzellentherapie bei Hörproblemen ist wahrscheinlich nicht das nächste Thema, das in die Klinik kommt, aber es ist auch keine Science-Fiction. Tatsächlich wurden einige der frühesten Arbeiten nach der Entdeckung induzierter pluripotenter Stammzellen (iPSCs) zur Erforschung von Hörverlust durchgeführt.

„Ein seit langem bestehendes Problem in unserem Fachgebiet ist der eingeschränkte Zugang zu Material zur Untersuchung der eigentlichen Biochemie und Molekularbiologie des Ohrs, insbesondere in den 1990er Jahren, als ich mit dieser Art von Arbeit begann“, sagte Marcelo Rivolta, Neurobiologe und Wissenschaftler Biologe für sensorische Stammzellen an der University of Sheffield.

In den frühen 2000er Jahren kam Rivolta an die Universität, gerade als dort ihr Forschungszentrum für Stammzellbiologie eingerichtet wurde, das als erstes im Vereinigten Königreich die ersten menschlichen embryonalen Stammzellen verwendete, die von Jamie Thompson, einem Stammzellforscher an der Universität, erzeugt wurden Universität von Wisconsin-Madison. Es war der Beginn einer ganz neuen Welt. Als die Gruppen von Thompson und Shinya Yamanaka (derzeit an der University of California, San Francisco) 2007 ihre Methoden zur Erstellung von iPSCs veröffentlichten, begann Rivolta zu träumen. „Ich begann mit der Idee zu spielen, die Zellen nicht nur für die Modellierung, sondern auch für die Zelltherapie zu verwenden“, sagte er.

Mehrere Forschungsgruppen hatten erfolgreich Stammzellen in Labortiermodelle für Taubheit transplantiert, aber keine verbesserte das Hörvermögen oder die neuronale Erregung im Ohr. Rivoltas Gruppe versuchte zunächst, Stammzellen aus fötalen Cochleae zu gewinnen, einer der wenigen Quellen für ohrspezifische Stammzellen. Doch diese seltenen und schwer zu gewinnenden Zellen starben meist schon nach 25 Teilungen. Stattdessen gelang es Rivoltas Gruppe durch Optimierung der Protokolle anderer Forscher, embryonale Stammzellen zu erzeugen und in die Ohren gehörloser Rennmäuse zu transplantieren (10). Die Stammzellen differenzierten sich erfolgreich in haarzellähnliche Zellen und verbesserten die neuronale Feuerschwelle durch Hörstimulation im Ohr. Die Arbeit von Rivoltas Gruppe und anderen an der University of Sheffield führte zur Biotech-Firma Rinri Therapeutics, die Zelltherapien gegen Hörverlust herstellt.

Rivolta ist optimistischer als Holt und Géléoc, was die Fähigkeit von Stammzellen zur Behandlung von Innenohrerkrankungen angeht. Was hindert diese Arbeit dann daran, auf die Klinik übertragen zu werden? Derzeit handelt es sich laut Rivolta teilweise um ein Problem der Zellherstellung.

„Die Herstellungsbeschränkungen bestehen darin, sicherzustellen, dass wir die richtigen Zellen produzieren, dass wir die richtige Methode zur Identifizierung der Zellen und die richtige Art von Markern haben“, sagte Rivolta. „Wir arbeiten an der Lieferung und daran, wie man die richtigen Stellen im Ohr erreicht, und auch in dieser Hinsicht haben wir gute Fortschritte gemacht.“

[Koehler] kann im Grunde jedes neue Ohr in einer Schüssel herstellen. – Gwenaelle Géléoc, Boston Children's Hospital

Auch Holt, Géléoc und Koehler schließen sich zusammen. Ihre Gruppen arbeiten zusammen, um ein einzigartiges Werkzeug herzustellen: Innenohr-Organoide, die direkt aus Patientenzellen gewonnen werden. Dieses Projekt ist von entscheidender Bedeutung für die Erprobung maßgeschneiderter Gentherapien gegen Hörverlust, insbesondere für Patienten mit Usher-Syndrom. Das Usher-Syndrom kommt in drei verschiedenen genetischen Klassen vor und kann durch Mutationen in mehr als einem Dutzend verschiedener Gene verursacht werden (8). Darüber hinaus steht das Ohr nicht nur im Mittelpunkt des Hörens, sodass erfolgreiche Gentherapien bei Erkrankungen wie dem Usher-Syndrom mehr als nur die Schreckreaktion verbessern.

Stammzellen sind ein bekanntermaßen heikles Material, mit dem man arbeiten kann. Die Herstellung von Stammzellen aus einzelnen Patienten ist ein Wagnis, aber die Forscher sind zuversichtlich, dass ihre Erfahrungen aus den Anfängen des Fachgebiets ihnen dabei helfen werden.

„[Koehler] kann grundsätzlich jede neue Ähre in einem Gericht herstellen“, sagte Géléoc.

Dan erwarb einen Doktortitel in Biochemie an der SUNY Buffalo und absolvierte Postdoktorandenstipendien am USDA und an der Carnegie Mellon University. Er ist ein freiberuflicher Autor, dessen Arbeiten in Massive Science, The Daily Beast, VICE und GROW erschienen sind. Dan interessiert sich vor allem dafür, darüber zu schreiben, wie Moleküle zusammenarbeiten, um Phänomene in Körpergröße zu erzeugen.