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Die Organe des Innenohrs, der Cochlea, des Utrikels, des Saccule und der drei Bogengänge vermitteln die Fähigkeit zu hören und zu balancieren. In der Cochlea wandeln Haarzellen Geräusche in elektrische Signale um, die an die Neuronen der Spiralganglien (SGN) weitergeleitet werden. Die SGNs feuern Aktionspotentiale ab, um neuronale Signale durch den auditorischen Schaltkreis zu verbreiten. Genetische Mutationen, ototoxische Medikamente und die Exposition gegenüber lauten Geräuschen tragen zum Absterben von Haarzellen und SGN bei, die zu Hörverlustführen 1-4. Einmal verloren, werden diese Zellen nicht mehr ersetzt. Die Verwendung von iPSC und ESC zur Erzeugung von naszierenden Haarzellen oder SGNs ist vielversprechend für Therapien zum Ersatz von Innenohrzellen5-8. Eine Flut von Fortschritten hat gezeigt, dass sich pluripotente Stammzellen und aus dem Innenohr stammende Vorläuferzellen in verschiedenen Reifestadien zu Haarzellen und SGNs differenzieren können. Embryonale Stammzellen (ESC) und induzierte pluripotente Stammzellen (iPSC) können verwendet werden, um funktionelle Haarzellen und SGNs9-11 zu erzeugen. Es wurde auch gezeigt, dass Stammzellen und Vorläuferzellen, die aus dem Innenohr von Säugetieren stammen, Haarzellen und Neuronen mit Eigenschaften ihrer zellulären In-vivo-Gegenstücke bilden 12-16.
Die Verwendung von iPSC- oder ESC-abgeleiteten otischen Vorläuferzellen als Ersatz für verlorene Haarzellen und SGNs erfordert eine effiziente Differenzierung. Eine unsachgemäße Differenzierung oder fortgesetzte Proliferation von transplantierten Stammvorläuferzellen im Innenohr kann die Innenohrfunktion verschlimmern und ein tumorigenes Risiko darstellen, wie z. B. die Bildung von Teratomen im Innenohr17. Es besteht ein klarer Bedarf an der Entwicklung von Kulturbedingungen und dem Verständnis der Differenzierung otischer Vorläuferzellen. Eine Strategie bei der Entwicklung dieser Methoden besteht darin, die Entscheidungen über das Zellschicksal, die von neurosensorischen Vorläuferzellen während der Entwicklung des Innenohrs getroffen werden, zu rekapitulieren. Protokolle, die die Proliferation verhindern und otische Vorläuferzellen in Haarzellen oder SGNs leiten, tragen dazu bei, die Sicherheit und Wirksamkeit von Ersatztherapien zu verbessern.
Während der Entwicklung beginnt das Innenohr mit der Verdickung des Oberflächenektoderms in einer begrenzten Region zwischen den Rhomboeren 5 und 6 und wird zur otischen Plakode. Wenn die otische Plakode einstülpt, um einen Oticusbecher zu bilden, entsteht aus einer Ansammlung von Zellen im vorderen Bereich des Oticusbechers die neural-sensorisch-kompetente Domäne (NSD), die Vorläufer von Haarzellen und Neuronen des Innenohrs enthält18. Schicksalskartierungsstudien an Mäusen, Hühnern und Zebrafischen, die sich im Innenohr entwickeln, deuten auf mehrere Populationen neurosensorischer Vorläuferzellen hin, aus denen die sensorischen Haarzellen, die umgebenden Stützzellen und die otischen Neuronen hervorgehen19-22. Der Transkriptionsfaktor der Gruppe mit hoher Mobilität, Sox2, wurde mit der Spezifikation von sensorischen Zellen in Verbindung gebracht und als Marker für Innenohr-Vorläuferzellen verwendet23,24. Hypomorphe Mutationen, die die Sox2-Expression im Innenohr verringern, führen zum Verlust der Haarzellen, der Stützzellen und der SGNs in der Cochlea25,26.
Um otische Vorläuferzellen zu untersuchen, die sich in Zellschicksalsentscheidungen befinden, wurde zuvor eine durch das Schicksal eingeschränkte immortalisierte multipotente otische Vorläuferzellen (iMOP) von Sox2-exprimierenden Cochlea-Vorläuferzellen etabliert. iMOP-Zellen wurden ursprünglich aus embryonalen E12.5-13.5 Cochlea gewonnen und mit einem c-Myc-Retrovirus infiziert27. iMOP-Zellen können sich kontinuierlich als koloniebildende Zellen, die als Otosphären bekannt sind, vermehren und haben die Fähigkeit, sich in Haarzellen, Stützzellen und SGNs zu differenzieren27. Das Verständnis der Fähigkeit von iMOP-Zellen, sich in unterschiedliche otische Linien zu differenzieren, ermöglicht die Anwendung dieser Erkenntnisse zur effizienten Erzeugung von iPSC- oder ESC-abgeleiteten Haarzellen und SGNs. Effiziente Differenzierungsprotokolle werden neue Wege für Zellersatztherapien bei Innenohrerkrankungen eröffnen, die gegenüber konventionellen Behandlungen widerspenstig sind. Ein entscheidendes Problem bei der Erzeugung von otischen Zellen durch In-vitro-Zellkultur besteht darin, Differenzierungsmarker zu haben, mit deren Hilfe festgestellt werden kann, ob sich Zellen differenzieren. Cdkn1b (p27KIP) wurde ausgiebig als früher Marker für die Differenzierung im sich entwickelnden Innenohr verwendet, jedoch wurde die Expression von Cdkn1b in iMOP-Zellen und wie sie mit der Differenzierung korreliert, nicht untersucht. In dieser Studie werden die aktuellen Kulturbedingungen und die Korrelation der Cdkn1b-Expression mit anderen Markern der iMOP-Differenzierung beschrieben.