Die Hornhaut ist ein avaskuläres, transparentes Gewebe, das die äußerste Schicht des Auges bildet und hauptsächlich aus drei Schichten besteht: einer epithelialen äußeren Schicht, einer Stromschicht mit einer kollagenreichen extrazellulären Matrix, die von Keratozyten bevölkert ist, und einer Endothelzellschicht1. Die Hornhaut spielt eine wesentliche Rolle beim Sehvermögen, indem sie die inneren Augenstrukturen schützt und das Licht bricht.
Aniridia ist eine seltene, angeborene panokulare Erkrankung, die hauptsächlich durch heterozygote Mutationen im gepaarten Box-Gen 6 (PAX6), einem Hauptregulator der Augenentwicklung, verursacht wird und durch das teilweise oder vollständige Fehlen der Iris2 gekennzeichnet ist. Neben Iris-Hypoplasie oder -abwesenheit entwickeln die meisten Patienten progressive Hornhautauffälligkeiten, die zusammenfassend als aniridienassoziierte Keratopathie (AAK) bezeichnet werden, welche Epitheldefekte, limbale Stammzelldysfunktion, stromale Veränderungen und fortschreitende Hornhautopacifikation umfassen, was letztlich zu Sehbeeinträchtigungen führt. AAK betrifft etwa 78–90 % der Ananiridienpatienten, mit zunehmender Schwere über die Zeit3. Wir hatten das Ziel, ein detailliertes und reproduzierbares Protokoll zur Erzeugung von Hornhautorganoiden aus aniridien patientenabgeleiteten induzierten pluripotenten Stammzellen (iPSCs) zu entwickeln, um krankheitsrelevante hornhautVeränderungen in vitro zu modellieren. Obwohl Tiermodelle und ex-vivo-Studien wertvolle Einblicke in die Pathogenese der Ananidien geliefert haben, schränken artspezifische Unterschiede und begrenzter Zugang zum Patientengewebe ihre translationale Relevanz ein.
Humane iPSC-abgeleitete Organoide haben sich als leistungsstarke In-vitro-Systeme zur Modellierung der menschlichen Entwicklung und Krankheiterwiesen 4,5. Hornhautorganoide ermöglichen insbesondere die Bildung dreidimensionaler, gewebeähnlicher Strukturen, die eher der natürlichen Hornhautarchitektur ähneln, einschließlich geschichteter Epithelorganisation, stromal-epithelialen Wechselwirkungen und extrazellulärer Matrixablagerung, im Vergleich zu herkömmlichen zweidimensionalen Monoschichtkulturen, denen räumliche Organisation, physiologische Zell-Zell-Interaktionen und mikroökologische Komplexität fehlen 4,5. Mehrere Differenzierungsstrategien, darunter SEAM-basierte und okuläre Progenitor-gesteuerte Ansätze, wurden berichtet, dass sie hornhautähnliches Gewebe aus iPSCs6 erzeugen. Diese Ansätze beinhalten typischerweise eine Anfangsphase der Induktion der Augenlinien, gefolgt von fortschreitender Gewebespezifikation und -selektion aus heterogenen okulären Vorläuferpopulationen. Die Herstellung von Hornhautorganoiden bietet die Möglichkeit, verschiedene Zelltypen zu untersuchen, die im Hornhautgewebevorkommen. Darüber hinaus ermöglichen die iPSC-abgeleiteten Hornhautorganoide von Aniridia-Patienten die Untersuchung des genetischen Hintergrunds der Krankheit und bieten eine einzigartige Gelegenheit, Aniridien zu untersuchen.
Im vorliegenden Protokoll werden sowohl Wildtyp- als auch Aniridien-abgeleitete iPSC-Linien einer identischen, mehrstufigen Differenzierungsstrategie unterzogen, die sequentielle Exposition gegenüber Differenzierung (DM), retinaler Differenzierung (RDM) und hornhautdifferenzierungsmedien (CDM) über einen längeren, wochenlangen Kulturzeitraum umfasst. Ein entscheidender experimenteller Schritt ist der Übergang von der adhärenten Kultur zu den Suspensionsbedingungen, während der ausgewählte hornhautähnliche Regionen erhalten bleiben, um die epitheliale Selbstorganisation zu fördern.
Obwohl dieser Ansatz die reproduzierbare Erzeugung hornhautähnlicher epithelialer Strukturen unterstützt, die für vergleichende Krankheitsmodellierungen geeignet sind, rekapituliert er komplexe in vivo Merkmale wie neuronale Innervation oder vollständige limbale Nischenorganisation, die bei der Bewertung der Anwendbarkeit der Methode berücksichtigt werden sollten.
In diesem Zusammenhang beschreiben wir ein standardisiertes Protokoll zur Erzeugung von Hornhaut-Organoiden aus patientenabgeleiteten iPSCs, die PAX6-Mutationen mit Anaridien in Verbindung bringen. Wichtig ist, dass die Differenzierungsstrategie selbst nicht zwischen Wildtyp- und Aniridien-abgeleiteten Linien modifiziert ist; stattdessen entstehen krankheitsspezifische Phänotypen aus dem patientenspezifischen genetischen Hintergrund innerhalb eines ansonsten einheitlichen experimentellen Rahmens.
Insgesamt bietet diese Methode eine robuste und reproduzierbare Grundlage zur Untersuchung der Hornhautentwicklung und aniridienassoziierter Krankheitsmechanismen und könnte als Grundlage für zukünftige mechanistische und translationale Studien dienen.