Naukowcy wyhodowali funkcjonalne komórki naczyń siatkówki z ludzkich komórek macierzystych

Inżynierowie biomedyczni z Duke University po raz pierwszy uzyskali z indukowanych pluripotencjalnych komórek macierzystych wyspecjalizowane komórki śródbłonka naczyń siatkówki. W doświadczeniach na myszach komórki te wbudowywały się w uszkodzoną tkankę, wspierały odbudowę naczyń krwionośnych i poprawiały funkcjonowanie siatkówki. Wyniki wskazują na możliwość opracowania nowych terapii regeneracyjnych oraz bardziej wiarygodnych modeli laboratoryjnych chorób prowadzących do utraty wzroku.

W artykule:

• Znaczenie komórek śródbłonka dla zdrowia siatkówki
• Uzyskiwanie wyspecjalizowanych komórek z komórek iPSC
• Modelowanie retinopatii cukrzycowej w laboratorium
• Odbudowa naczyń siatkówki w modelach zwierzęcych
• Możliwe zastosowania terapeutyczne i badawcze
• Ograniczenia badania i dalsze kierunki prac

Wyspecjalizowane komórki naczyń siatkówki uzyskane z iPSC

Inżynierowie biomedyczni z Duke University wykorzystali indukowane pluripotencjalne komórki macierzyste, określane skrótem iPSC, do wyhodowania wyspecjalizowanych komórek naczyń krwionośnych, które odgrywają kluczową rolę w utrzymaniu prawidłowej struktury i czynności siatkówki.

Było to pierwsze opisane uzyskanie funkcjonalnych komórek śródbłonka siatkówki z ludzkich pluripotencjalnych komórek macierzystych w sposób umożliwiający ich potencjalne wykorzystanie zarówno w terapiach komórkowych, jak i w laboratoryjnym modelowaniu chorób oczu.

Po podaniu komórek do oka myszy z zaburzeniami rozwoju naczyń siatkówki komórki te integrowały się z uszkodzoną tkanką, uczestniczyły w tworzeniu naczyń krwionośnych oraz wzmacniały barierę naczyniową. Badacze wykazali również, że komórki mogą tworzyć funkcjonalną tkankę naczyniową siatkówki w warunkach laboratoryjnych.

Wyniki badania opublikowano 30 czerwca 2026 roku w czasopiśmie Nature Biomedical Engineering. Projekt był finansowany między innymi przez National Eye Institute oraz NASA.

Dlaczego naczynia siatkówki są tak istotne

Siatkówka jest położoną w tylnej części gałki ocznej wyspecjalizowaną tkanką nerwową odpowiedzialną za odbieranie bodźców świetlnych. Jej neurony przesyłają informacje bezpośrednio do mózgu za pośrednictwem nerwu wzrokowego, dlatego siatkówka jest funkcjonalnie częścią ośrodkowego układu nerwowego.

Podobnie jak mózg, siatkówka posiada własną barierę krew–tkanka. Bariera krew–siatkówka precyzyjnie kontroluje przenikanie tlenu, składników odżywczych, wody, substancji sygnałowych oraz leków z krwi do tkanki siatkówki.

Mechanizm ten pomaga chronić delikatną tkankę nerwową przed toksynami, patogenami, komórkami zapalnymi i gwałtownymi zmianami składu środowiska wewnętrznego. Jednocześnie bariera utrudnia dostarczanie leków do siatkówki, co stanowi istotne wyzwanie w leczeniu wielu chorób okulistycznych.

Wewnętrzna bariera krew–siatkówka jest tworzona przede wszystkim przez ściśle połączone komórki śródbłonka naczyń siatkówki. W jej utrzymaniu uczestniczą również perycyty, astrocyty i inne komórki neurogleju. Współdziałanie tych elementów zapewnia selektywną przepuszczalność naczyń oraz stabilność środowiska niezbędnego do prawidłowej pracy fotoreceptorów i neuronów siatkówki.

Uszkodzenie bariery może prowadzić do utraty wzroku

Zaburzenie integralności naczyń siatkówki i bariery krew–siatkówka jest jednym z ważnych mechanizmów rozwoju chorób zagrażających widzeniu. Może prowadzić do zwiększonej przepuszczalności naczyń, obrzęku, niedotlenienia, krwawień oraz patologicznego tworzenia nowych naczyń.

Procesy te występują między innymi w retinopatii cukrzycowej, niedrożności naczyń siatkówki, retinopatii wcześniaków oraz niektórych postaciach zwyrodnienia plamki związanego z wiekiem.

Jak wyjaśnił Parker Esswein, doktorant pracujący w laboratorium Sharon Gerecht i współautor publikacji, degradacja wyspecjalizowanej tkanki naczyniowej siatkówki może uczestniczyć w rozwoju wielu różnych chorób prowadzących do pogorszenia lub utraty wzroku.

Dostępne obecnie komórki śródbłonka siatkówki są zazwyczaj izolowane z tkanek ludzkich, a następnie namnażane w laboratorium. Ich pozyskiwanie jest jednak kosztowne, podaż ograniczona, a właściwości komórek mogą różnić się w zależności od dawcy, wieku, stanu zdrowia i warunków przechowywania materiału.

Możliwość uzyskiwania ciągłego, kontrolowanego źródła komórek śródbłonka siatkówki z pluripotencjalnych komórek macierzystych mogłaby zwiększyć dostępność materiału badawczego, ograniczyć koszty oraz zmniejszyć zmienność pomiędzy poszczególnymi partiami komórek.

Czym są indukowane pluripotencjalne komórki macierzyste

Indukowane pluripotencjalne komórki macierzyste powstają przez przeprogramowanie dojrzałych komórek organizmu do stanu przypominającego wczesne komórki macierzyste. Po odpowiednim przygotowaniu mogą one różnicować się w wiele typów komórek, w tym komórki nerwowe, mięśniowe, nabłonkowe i śródbłonkowe.

Technologia iPSC pozwala teoretycznie uzyskiwać komórki pochodzące od konkretnego pacjenta. Dzięki temu możliwe jest tworzenie spersonalizowanych modeli chorób, badanie wpływu wariantów genetycznych oraz ocena reakcji komórek na leki.

W omawianym badaniu Ying-Yu Lin, była doktorantka w laboratorium Sharon Gerecht, oraz Parker Esswein rozpoczęli prace od komercyjnie dostępnych linii iPSC. Najpierw zastosowali dobrze poznaną procedurę różnicowania ich w typowe komórki śródbłonka, które tworzą wewnętrzną warstwę większości naczyń krwionośnych organizmu.

Następnie wykorzystali specjalnie dobraną mieszaninę czynników wzrostu i cząsteczek sygnałowych, aby ukierunkować dalsze dojrzewanie komórek i nadać im cechy charakterystyczne dla śródbłonka naczyń siatkówki.

Komórki tworzyły funkcjonalne struktury naczyniowe

Po uzyskaniu komórek o pożądanych właściwościach naukowcy przeprowadzili serię doświadczeń laboratoryjnych. Komórki były zdolne do organizowania się w sieci i struktury przypominające układ naczyń występujący w organizmie.

Badacze ocenili także zachowanie wyhodowanej tkanki w warunkach niskiego stężenia tlenu oraz wysokiego stężenia glukozy. Oba czynniki odzwierciedlają część niekorzystnych zmian metabolicznych i naczyniowych występujących u pacjentów z cukrzycą.

Niedotlenienie i hiperglikemia doprowadziły do osłabienia szczelności utworzonej bariery naczyniowej. Zjawisko to przypomina mechanizmy obserwowane w przebiegu retinopatii cukrzycowej, w której przewlekła hiperglikemia uszkadza mikrokrążenie siatkówki, zwiększa przepuszczalność naczyń i może prowadzić do obrzęku plamki, niedokrwienia oraz patologicznej neowaskularyzacji.

Uzyskany model może zatem posłużyć do badania wczesnych etapów uszkodzenia bariery krew–siatkówka oraz do oceny leków, które mogłyby chronić komórki śródbłonka przed skutkami stresu metabolicznego i niedotlenienia.

Odbudowa naczyń w modelach zwierzęcych

W kolejnym etapie naukowcy ocenili potencjał terapeutyczny komórek w modelach mysich charakteryzujących się słabymi, nieuporządkowanymi i nieprawidłowo rozwiniętymi naczyniami siatkówki.

Komórki podano przed wystąpieniem klinicznie uchwytnej utraty widzenia. Po iniekcji integrowały się one z istniejącą tkanką naczyniową i uczestniczyły w tworzeniu silniejszych, bardziej uporządkowanych naczyń o lepiej rozwiniętych właściwościach barierowych.

W opisie badania wskazano również na poprawę funkcji siatkówki. Wynik ten sugeruje, że odbudowa prawidłowego mikrokrążenia może przekładać się na lepsze funkcjonowanie tkanki nerwowej, jednak mechanizm ten będzie wymagał dalszej analizy w kolejnych doświadczeniach.

Według Parkera Essweina wyniki wskazują, że wyhodowane w laboratorium komórki mogą znaleźć zastosowanie w terapiach zapobiegających postępowi zmian naczyniowych, zwłaszcza jeżeli zostaną podane przed wystąpieniem nieodwracalnego uszkodzenia siatkówki.

Znaczenie dla retinopatii cukrzycowej

Retinopatia cukrzycowa pozostaje jedną z głównych przyczyn możliwej do uniknięcia utraty wzroku u osób w wieku produkcyjnym. Choroba rozwija się w następstwie przewlekłego uszkodzenia małych naczyń siatkówki związanego między innymi z hiperglikemią, stresem oksydacyjnym, stanem zapalnym, dysfunkcją śródbłonka i utratą perycytów.

W początkowych stadiach dochodzi do zwiększenia przepuszczalności naczyń, powstawania mikrotętniaków, drobnych krwawień i miejscowego niedokrwienia. W bardziej zaawansowanych postaciach mogą rozwinąć się obrzęk plamki oraz proliferacyjna retinopatia cukrzycowa z nieprawidłowym tworzeniem nowych naczyń.

Obecne leczenie obejmuje między innymi kontrolę glikemii i ciśnienia tętniczego, iniekcje doszklistkowe leków hamujących czynnik wzrostu śródbłonka naczyniowego, stosowanie glikokortykosteroidów, laseroterapię oraz leczenie chirurgiczne powikłań.

Terapia wykorzystująca komórki śródbłonka siatkówki miałaby inny cel: nie tylko ograniczenie przepuszczalności lub patologicznego wzrostu naczyń, lecz potencjalnie odbudowę prawidłowego mikrokrążenia i właściwości bariery naczyniowej.

Na obecnym etapie jest to jednak koncepcja przedkliniczna. Badanie nie wykazuje jeszcze, że metoda jest skuteczna ani bezpieczna u ludzi z retinopatią cukrzycową lub inną chorobą siatkówki.

Nowe modele do badania chorób i leków

Drugim ważnym zastosowaniem opracowanej metody może być tworzenie ludzkich modeli tkankowych wykorzystywanych do badania chorób oczu oraz poszukiwania nowych leków.

Modele zwierzęce nie odtwarzają wszystkich cech ludzkiej siatkówki, odpowiedzi immunologicznej i metabolizmu naczyniowego. Z kolei proste hodowle pojedynczych typów komórek nie pozwalają w pełni odwzorować złożonych interakcji zachodzących pomiędzy śródbłonkiem, perycytami, astrocytami i neuronami.

Komórki śródbłonka uzyskane z iPSC mogą zostać wykorzystane do tworzenia bardziej rozbudowanych modeli trójwymiarowych, mikroprzepływowych układów typu „narząd na chipie” oraz organoidów siatkówki zawierających elementy mikrokrążenia.

Takie platformy mogłyby umożliwić badanie przepuszczalności bariery krew–siatkówka, transportu leków, reakcji na niedotlenienie, wpływu hiperglikemii oraz toksyczności nowych związków farmakologicznych.

Potencjalnym kierunkiem jest także tworzenie modeli z komórek konkretnych pacjentów. Pozwoliłoby to analizować, dlaczego osoby z podobnym czasem trwania cukrzycy i porównywalną kontrolą metaboliczną mogą różnić się podatnością na rozwój powikłań okulistycznych.

Potencjał terapeutyczny wymaga dalszej oceny

Sharon Gerecht, Paul M. Gross Distinguished Professor i przewodnicząca Department of Biomedical Engineering w Duke University, podkreśliła, że choroby naczyniowe siatkówki dotyczą milionów osób, natomiast wiedza o ich mechanizmach nadal pozostaje niewystarczająca, co ogranicza możliwości opracowywania nowych terapii.

Uzyskanie komórek tworzących ludzkie naczynia siatkówki może stworzyć podstawę do rozwoju nowych metod leczenia. Przed rozpoczęciem badań klinicznych konieczne będzie jednak rozwiązanie szeregu problemów dotyczących jakości, bezpieczeństwa i standaryzacji produktu komórkowego.

Naukowcy będą musieli ocenić między innymi trwałość integracji komórek, stabilność ich fenotypu, ryzyko niekontrolowanej proliferacji, możliwość powstawania niepożądanych naczyń, odpowiedź immunologiczną oraz wpływ na funkcjonowanie neuronów siatkówki.

Istotne będzie również ustalenie optymalnego momentu podania. Wyniki doświadczeń wskazują, że największą korzyść może przynosić interwencja wykonana przed wystąpieniem nieodwracalnej utraty widzenia. Oznacza to, że ewentualna przyszła terapia mogłaby mieć przede wszystkim charakter zapobiegający progresji, a nie odwracający zaawansowane uszkodzenia.

Ograniczenia badania

Badanie miało charakter eksperymentalny i obejmowało modele laboratoryjne oraz zwierzęce. Wyników nie można bezpośrednio przenosić na pacjentów z retinopatią cukrzycową, zwyrodnieniem plamki lub innymi chorobami siatkówki.

Modele mysie różnią się od ludzkiego oka pod względem budowy siatkówki, organizacji plamki, odpowiedzi immunologicznej oraz przebiegu wielu chorób naczyniowych. Myszy nie posiadają anatomicznie wyodrębnionej plamki odpowiadającej ludzkiej plamce żółtej, co ogranicza możliwość pełnego modelowania chorób centralnej części siatkówki.

W doświadczeniach laboratoryjnych nie próbowano również odwzorować szerokiego spektrum konkretnych jednostek chorobowych. Badacze wykazali przede wszystkim, że uzyskane komórki mogą tworzyć tkankę o właściwościach naczyniowych i reagować na niekorzystne warunki metaboliczne.

Nie wiadomo jeszcze, jak długo komórki przeżywają po transplantacji, czy ich działanie utrzymuje się przez miesiące lub lata oraz czy podobny efekt można uzyskać w zaawansowanych stadiach chorób siatkówki.

Dalsze kierunki badań

Zespół planuje kontynuować badania nad wykorzystaniem komórek śródbłonka siatkówki zarówno w laboratorium, jak i we współpracy z partnerami przemysłowymi.

Przyszłe prace mogą objąć tworzenie bardziej złożonych modeli bariery krew–siatkówka, łączenie komórek śródbłonka z perycytami, astrocytami i komórkami nerwowymi oraz ocenę zachowania tkanki pod wpływem różnych leków i czynników chorobowych.

Badacze zgłosili również wniosek patentowy obejmujący zarówno potencjalne terapie oparte na komórkach macierzystych, jak i zastosowanie komórek w modelach in vitro przeznaczonych do odkrywania i testowania leków.

Praca była wspierana przez National Institutes of Health, w tym grant EY035853, Translational Research Institute w ramach NASA Cooperative Agreement NNX16AO69A, National Science Foundation Research Fellowship Program oraz National Defense Science & Engineering Graduate Fellowship Program.

Wnioski

Uzyskanie funkcjonalnych komórek śródbłonka siatkówki z ludzkich indukowanych pluripotencjalnych komórek macierzystych stanowi ważny krok w rozwoju modeli chorób naczyniowych oka i eksperymentalnych terapii regeneracyjnych.

Komórki tworzyły struktury naczyniowe w laboratorium, reagowały na hiperglikemię i niedotlenienie oraz integrowały się z naczyniami siatkówki w modelach mysich. Wyniki sugerują możliwość wykorzystania ich do badania retinopatii cukrzycowej i innych chorób związanych z uszkodzeniem bariery krew–siatkówka.

Nie jest to jednak terapia gotowa do zastosowania klinicznego. Konieczne są dalsze badania przedkliniczne, ocena długoterminowego bezpieczeństwa oraz opracowanie standaryzowanych metod produkcji komórek przeznaczonych do użycia u ludzi.

Źródło: Nature Biomedical Engineering, Derivation of functional retinal endothelial cells from human pluripotent stem cells for therapeutics and modeling.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41551-026-01712-9