Ein künstliches blinzelndes Auge - wissenschaft.de
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Gesundheit+Medizin

Ein künstliches blinzelndes Auge

Das neu entwickelte Augenmodell kann sogar blinzeln. (Bild: Jeongyun Seo und Dongeun Huh/ University of Pennsylvania)

Wir schauen, blinzeln und weinen mit ihnen: unseren Augen. Die Sehorgane bilden einen wichtigen Teil des visuellen Systems und sind für Mediziner daher von besonderem Interesse. Wie werden die Augen durch schädliche Einflüsse von außen geschützt und was steckt hinter Phänomenen wie krankhaft trockenen Augen? Um solchen Fragen in Zukunft besser nachgehen zu können, haben Forscher nun ein künstliches Modell unserer Augenoberfläche entwickelt. Ihr mithilfe menschlicher Zellen kreiertes System kann sogar blinzeln wie das Original und soll eines Tages vielleicht sogar Tierversuche überflüssig machen.

Das Auge ist ein komplexes Sinnesorgan, das uns im wahrsten Sinne des Wortes den Blick auf die Welt eröffnet. Dieser wichtige Teil des visuellen Systems ist nach außen hin durch Augenlider und Wimpern geschützt. Der Blinzelreflex bewahrt die empfindliche Augenoberfläche dabei vor schädlichen äußeren Einwirkungen schützt die Hornhaut vor dem Austrocknen. Denn durch das regelmäßige Blinzeln wird das Auge mit Tränenflüssigkeit benetzt. Obwohl Forscher dieses findige Patent der Natur immer besser verstehen lernen, fällt ihnen eines jedoch nach wie vor schwer: das Original nachzuahmen. Wie bei vielen anderen Organen unseres Körpers sind Aufbau und Funktionsweise der menschlichen Augenoberfläche derart vielschichtig, dass eine künstliche Kopie kaum machbar scheint.

Die äußere Schicht des Sehorgans

Jeongyun Seo von der University of Pennslyvannia in Philadelphia und ihre Kollegen haben sich nun trotzdem genau daran versucht: Sie entwickelten ein dreidimensionales Modell der Oberfläche unseres Sehorgans. „Die Augenoberfläche ist eine Struktur, die die kuppelförmige äußere Schicht des Auges bildet. Auf Gewebeebene besteht sie aus Hornhaut und Bindehaut“, erklären die Wissenschaftler. Um sowohl die Geometrie als auch die zelluläre Zusammensetzung dieser Struktur zu imitieren, ließen sie zunächst Zellen aus menschlichem Cornea- und Bindehautgewebe auf einem speziell geformten Stützgerüst wachsen.

In einem zweiten Schritt wurden die so kultivierten Zellen in ein System eingebettet, mit dem eine Umgebung wie im echten Körper simuliert wurde. Unter anderem verbanden Seo und ihr Team die Zellen mit einem Kanal für Tränenflüssigkeit und kreierten Augenlider aus einem Hydrogel, die über das Zellgerüst hinweggleiten können. „Die Tränensekretion wird durch den kontrollierten Ausfluss künstlicher Tränen durch kleine Öffnungen im Tränenkanal simuliert. Dies geschieht in einer Rate, die der im menschlichen Auge entspricht“, erläutern die Forscher. „Die Augenlider verteilen die abgesonderte Flüssigkeit bei ihrer Abwärtsbewegung über das Gerüst und bilden einen Film, der nach dem anschließenden Öffnen des Auges sichtbar bleibt.“

Trockenes Auge simuliert

Damit funktioniert das künstliche Auge in wesentlichen Punkten bereits so wie sein natürliches Pendant. Doch lässt sich dieses Modell auch nutzen, um Erkrankungen des Sehorgans nachzuahmen und zu erforschen? Um dies herauszufinden, veränderten die Wissenschaftler ihre Augenoberfläche so, dass sie das Krankheitsbild des trockenen Auges abbildete. Bei Patienten mit der sogenannten Keratoconjunctivitis sicca ist der Aufbau des Tränenfilms gestört, was zu Rötungen und unangenehmem Brennen bis hin zu schädlichen Entzündungsprozessen führt. Im Experiment sorgte eine reduzierte Blinzelrate dafür, dass vermehrt Tränenflüssigkeit aus dem Auge verdunstete und die Hornhaut in Folge trockener wurde.

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Tatsächlich beobachteten Seo und ihre Kollegen an diesem Modell ähnliche Besonderheiten und Reaktionen, wie sie auch von Betroffenen mit dem Syndrom des trockenen Auges bekannt sind – und bewiesen das Potenzial eines möglichen Therapeutikums: Das körpereigene Glykoprotein Lubricin wirkt wie eine Art Schmiermittel und sorgte im Test dafür, dass das Lid deutlich geschmeidiger über die Augenoberfläche glitt. „Unser Modell des blinzelnden Auges stellt eine fortgeschrittene In-vitro-Technologie dar, die neue Möglichkeiten eröffnet, diese wichtige Schnittstelle zwischen dem menschlichen Auge und der Umwelt zu untersuchen. Indem wir eine synthetische Umgebung mit lebenden Zellen verbinden, können wir mit diesem Hybridsystem die vielfältigen Eigenschaften und das dynamische Verhalten der Augenoberfläche nachahmen“, konstatieren die Forscher.

Ersatz für Tierversuche?

In Zukunft könnte die künstliche Augenoberfläche nicht nur zur Erforschung von Medikamenten eingesetzt werden. Auch die Verträglichkeit von Kosmetikprodukten und Kontaktlinsen oder chirurgische Eingriffe lassen sich mithilfe dieses neuen Modells womöglich testen. Eines Tages, so die Hoffnung des Teams, könnten dank des Augenmodells sogar viele Tierversuche überflüssig werden. Bis es soweit ist, sind jedoch weitere Verbesserungen nötig. So fehlen der Nachahmung im Vergleich zum Original zum Beispiel noch die Blutgefäße und Immunzellen der Bindehaut sowie wichtige Nervenverbindungen. Als alleinstehendes Modell eignet sich die Entwicklung zudem nicht, um Interaktionen der Augenoberfläche mit anderen physiologischen Systemen zu imitieren. „Trotz dieser Einschränkungen ist unsere Entwicklung jedoch ein bedeutender Durchbruch für die In-vitro-Modellierung des menschlichen Auges“, resümieren Seo und ihr Team.

Quelle: Jeongyun Seo (University of Pennslyvannia, Philadelphia) et al., Nature Medicine, doi: 10.1038/s41591-019-0531-2

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