Mit dem Ziel, Taubheit zu heilen, schaffen Stanford-Wissenschaftler funktionale Innenohrzellen

Tief im Inneren des Ohrs erkennen spezialisierte Zellen, sogenannte Haarzellen, Schwingungen in der Luft und setzen sie in Schall um. Vor zehn Jahren kam Stefan Heller, Professor für Otolaryngologie an der Medizinischen Fakultät der Stanford University, auf die Idee, dass man, wenn man diese Zellen im Labor aus Stammzellen herstellen könnte, den Wissenschaftlern helfen würde, das zu verstehen molekulare Grundlage des Hörens, um bessere Behandlungen für Taubheit zu entwickeln. Nach

Tief im Inneren des Ohrs erkennen spezialisierte Zellen, sogenannte Haarzellen, Schwingungen in der Luft und setzen sie in Schall um. Vor zehn Jahren kam Stefan Heller, Professor für Otolaryngologie an der Medizinischen Fakultät der Stanford University, auf die Idee, dass man, wenn man diese Zellen im Labor aus Stammzellen herstellen könnte, den Wissenschaftlern helfen würde, das zu verstehen molekulare Grundlage des Hörens, um bessere Behandlungen für Taubheit zu entwickeln.
Nach jahrelanger Laborarbeit berichteten Forscher in Hellers Labor in der 14. Mai-Ausgabe von Cell, dass sie einen Weg gefunden haben, Mauszellen zu entwickeln, die genau wie die Innenohr-Haarzellen des Tieres aussehen und wirken - der Dreh- und Angelpunkt unseres Gehörsinns Balance - in einer Petrischale.
Wenn sie das Rezept weiter perfektionieren könnten, um Haarzellen in Millionenhöhe zu erzeugen, könnte dies zu bedeutenden wissenschaftlichen und klinischen Fortschritten auf dem Weg zur Heilung von Taubheit in der Zukunft führen, sagten sie.
"Das gibt uns echte Hoffnung, dass es eine Art Therapie für regenerierende Haarzellen geben könnte", sagte David Corey, PhD, Professor für Neurobiologie an der Harvard University, der nicht an der Studie beteiligt war. "Es könnte ein Jahrzehnt oder mehr dauern, aber es ist eine Möglichkeit."
Mit embryonalen Stammzellen von Mäusen und reprogrammierten Mausfibroblasten (eine Art relativ undifferenzierter Zellen in vielen Teilen des Körpers), präsentieren die Forscher eine Schritt-für-Schritt-Anleitung, wie diese Zellen in die Sinneszellen gebracht werden können normalerweise im Innenohr.
"Wir wussten, dass es wirklich funktionierte, als wir sie im Elektronenmikroskop sahen", sagte Heller. "Sie sahen wirklich so aus, als wären sie mehr oder weniger aus dem Ohr genommen worden."
Menschen werden mit 30.000 Cochlear- und Vestibularhaarzellen pro Ohr geboren. (Im Gegensatz dazu beherbergt eine Retina etwa 120 Millionen Photorezeptoren.) Wenn eine signifikante Anzahl dieser Zellen verloren geht oder beschädigt wird, tritt ein Hörverlust auf. Der Hauptgrund für Hörverlust und bestimmte Gleichgewichtsstörungen ist, dass Menschen und andere Säugetiere - anders als andere Arten wie Vögel - diese Hörzellen nicht spontan regenerieren können.
Da die Bevölkerung älter geworden ist und die Lärmbelästigung zugenommen hat, schätzen Gesundheitsexperten nun, dass jeder dritte Erwachsene über 65 Jahre einen Handicap-Hörverlust aufgrund der Zerstörung dieser begrenzten Anzahl von Haarzellen entwickelt hat.
Eine der Hindernisse für das Verständnis der molekularen Grundlagen des Hörens ist der Mangel an Haarzellen, die für das Studium verfügbar sind, sagte Heller. Während die Forscher letztlich menschliche Haarzellen benötigen, ist die Mausversion ein gutes Modell für die ersten Phasen des Experimentierens, sagte er. Zusätzlich zu den embryonalen Stammzellen der Maus verwendeten die Forscher Fibroblasten, die so umprogrammiert worden waren, dass sie sich wie Stammzellen verhalten: Diese sind als induzierte pluripotente Stammzellen oder iPS-Zellen bekannt.
"Unsere Studie bietet ein Protokoll, um Millionen von funktionellen Haarzellen aus einer erneuerbaren Quelle zu generieren", sagte Heller. "Wir können diese Zellen jetzt erzeugen und müssen nicht für ein einziges Experiment Dutzende von Mäusen durchforsten. Dies ermöglicht uns, molekulare Studien mit viel höherer Effizienz durchzuführen."
Die Studie beschreibt, wie es den Forschern gelang, die embryonalen Stammzellen der Maus und die iPS-Zellen durch verschiedene Phasen der Entwicklung, die im Mutterleib stattfinden, zu locken. Laut Hauptautor Kazuo Oshima, MD, PhD, einem Forschungslehrer in Stanford, der in Hellers Labor arbeitet, begannen sie damit, die Stamm- und iPS-Zellen in einen Zelltyp zu verwandeln, der das Ektoderm eines jungen Embryos bildet - die äußere Zellschicht des Embryos schließlich differenzieren sie sich in viele Gewebe und Strukturen wie Haut- und Nervenzellen. Als nächstes verwendeten sie spezifische Wachstumsfaktoren, um sie in "otic-progenitor" -Zellen (otic bedeutet Ohr) zu verwandeln. Und danach variierten sie die chemische Suppe in der Schale, so dass sich die Zellen ähnlich wie Haarzellen gruppierten und stereociliäre Bündel entwickelten, die auch für Haarzellen charakteristisch sind.
"Wir haben uns angeschaut, wie sich das Ohr in einem Embryo in den Entwicklungsschritten entwickelt, und diese Schritte in einer Kulturschale nachgeahmt", sagte Heller.
Haarzellen im Innenohr enthalten kleine Klumpen von haarähnlichen Projektionen, die als Stereozilien bekannt sind. Schallschwingungen führen dazu, dass sich die Stereozilien leicht biegen, wodurch mechanische Schwingungen entstehen, die dann in ein elektrochemisches Signal umgewandelt werden, das vom Gehirn als Schall interpretiert wird.
Die Zellen in der Petrischale hatten bei näherer Untersuchung dieselbe Struktur.
"Diese Zellen haben eine sehr interessante Struktur", sagte Heller. "Sie sehen aus, als hätten sie Haarbüschel von Stereozilien."
Noch wichtiger ist, dass weitere Untersuchungen zeigten, dass die Zellen auch auf mechanische Stimulation reagierten, indem sie Ströme wie Haarzellen erzeugten. Mit einer Sonde stimulierten die Forscher die Bündel und zeichneten die Ströme auf, die hervorgerufen wurden. Co-Autor Anthony Ricci, PhD, außerordentlicher Professor für Hals-Nasen-Ohrenheilkunde, war verantwortlich für diesen Schritt der Arbeit.
Heller, führend in der stammzellbasierten Forschung am Innenohr, hat sich in letzter Zeit auf zwei Wege zur möglichen Heilung von Schwerhörigkeit konzentriert: die medikamentöse Therapie - die so einfach sein kann wie die Anwendung von Ohrentropfen - und die Stammzelltransplantation in das Innere Ohr.
Beide Wege könnten durch die Fähigkeit, haarzellartige Zellen zu entwickeln, weiter vorangebracht werden, sagte er. "Wir könnten jetzt Tausende von Drogen in einer Kulturschale testen", erklärte er. "Es ist unmöglich, eine solche Größenordnung bei Tieren zu erreichen. Innerhalb eines Jahrzehnts könnten wir die Vorteile dieser Art von Screening nutzen."
Die Forschung des Labors zur Regeneration von Haarzellen zur Transplantation in das Innenohr zur Heilung von Taubheit wird ebenfalls fortgesetzt.
"Wir haben haarzellartige Zellen in einer Petrischale gemacht", sagte Oshima. "Dies ist ein wichtiger Schritt zur Entwicklung zukünftiger Therapien."
Die Studie wurde durch Zuschüsse des National Institute of Health, des California Institute for Regenerative Medicine und durch einen Neuroscience of Brain Disorders Award des McKnight Endowment Fund for Neuroscience finanziert.
Andere Stanford-Koautoren sind Postdocs, Kunyoo Shin, PhD; Mark Diensthuber, MD; und Anthony Peng, PhD.
Quelle:
Stanford Universitätsmedizinisches Zentrum