Выращенные в чашке Петри сетчатки человека раскрывают механизм развития цветового зрения

Биологи из Университета Джонса Хопкинса вырастили сетчатки человека с нуля, чтобы определить, как формируются клетки, позволяющие видеть цвет.

Работа, публикуемая в журнале Science, закладывает основу для разработки методов лечения заболеваний глаз, таких как дальтонизм и макулярная дегенерация. Она также устанавливает созданные в лаборатории «органоиды» в качестве модели для изучения развития человека на клеточном уровне.

«Всё, что мы исследуем, выглядит как нормально развивающийся глаз, просто растущий в чашке Петри», — сказал Роберт Джонстон, биолог по развитию. — «У вас есть модельная система, которой можно манипулировать, не изучая людей напрямую».

Лаборатория Джонстона исследует, как определяется судьба клетки — или что происходит в утробе матери, чтобы превратить развивающуюся клетку в клетку определенного типа, аспект биологии человека, который в значительной степени неизвестен.

Здесь он и его команда сосредоточились на клетках, которые позволяют людям видеть синий, красный и зеленый — трёх типах колбочковых фоторецепторов в человеческом глазу.

Хотя большинство исследований зрения проводятся на мышах и рыбах, ни один из этих видов не обладает динамичным дневным и цветовым зрением человека. Поэтому команда Джонстона создала необходимые им человеческие глаза — из стволовых клеток.

«Трёхцветное (трихроматическое) зрение отличает нас от большинства других млекопитающих», — сказала ведущий автор Киара Элдред, аспирант. — «Наше исследование действительно пытается выяснить, какие пути проходят эти клетки, чтобы дать нам это особое цветовое зрение».

В течение месяцев, по мере того как клетки росли в лаборатории и превращались в полноценные сетчатки, команда обнаружила, что клетки, детектирующие синий цвет, материализовались первыми, а за ними — детектирующие красный и зелёный. В обоих случаях они обнаружили, что ключом к молекулярному переключателю был прилив и отлив гормона щитовидной железы. Важно, что уровень этого гормона контролировался не щитовидной железой (которой, конечно, нет в чашке), а исключительно самим глазом.

Поняв, как количество гормона щитовидной железы определяло, станут ли клетки синими или красно-зелёными, команда смогла манипулировать результатом, создавая сетчатки, которые, будь они частью полноценного человеческого глаза, видели бы только синий цвет, и те, которые могли видеть только зелёный и красный.

Открытие того, что гормон щитовидной железы необходим для создания красно-зелёных колбочек, даёт понимание, почему у недоношенных детей, у которых уровень этого гормона снижен из-за отсутствия материнского снабжения, чаще встречаются нарушения зрения.

«Если мы сможем ответить, что приводит клетку к её конечной судьбе, мы станем ближе к возможности восстановить цветовое зрение для людей с повреждёнными фоторецепторами», — сказала Элдред. — «Это действительно красивый вопрос, как визуально, так и интеллектуально — что позволяет нам видеть цвет?»

Эти результаты — первый шаг для лаборатории. В будущем они хотели бы использовать органоиды, чтобы узнать ещё больше о цветовом зрении и механизмах, участвующих в создании других областей сетчатки, таких как макула. Поскольку макулярная дегенерация является одной из основных причин слепоты у людей, понимание того, как вырастить новую макулу, может привести к клиническим методам лечения.

«Что интересно, так это то, что наша работа устанавливает человеческие органоиды в качестве модельной системы для изучения механизмов развития человека», — сказал Джонстон. — «Что действительно расширяет границы, так это то, что эти органоиды развиваются девять месяцев, как человеческий ребенок. Так что мы действительно изучаем развитие плода».