Biologie Der Vorteil des Fischauges

Die Licht- und Farbreize, die auf die Netzhaut unserer Augen treffen, werden dort in elektrische Signale umgewandelt und über den Seh­­nerv ans Gehirn weiter­geleitet. Rund 16 Millionen solcher „Informations­bits“ verarbeitet unser Hirn – in jeder Sekunde. In der Netzhaut – oder Retina – ­befindet sich ein komplexes Geflecht von Sinnes­zellen, die bemerkens­wert lang­lebig sind: Sie begleiten uns von der Wiege bis zur Bahre. Wenn sie allerdings zu Schaden kommen – etwa durch ultra­violette Strahlung oder infolge von Erkrankungen wie Diabetes –, kann der Körper sie nicht ersetzen.

Schon seit Langem suchen Forscherinnen und Forscher deshalb nach geeigneten Therapien und setzen dabei auch auf Stamm­zellen. Das sind Körper­zellen, die sich noch in verschiedene Zell­typen oder Gewebe aus­differenzieren können – also beispiels­­weise zu Haut-, Muskel- oder Nerven­zellen werden können. Schädigungen der Netzhaut, so die Hoffnung, könnten damit vielleicht einmal geheilt werden.

Die Netzhaut besteht im Wesentlichen aus drei Teilen: dem eigentlichen Nerven­gewebe, einer um­gebenden schwarzen Zell­schicht (Pigmentepithel) und einem angrenzenden dünnen Häutchen, der „blinden Netzhaut“ (non-visual retina). Alle drei Bestand­teile zusammen ermöglichen uns das Sehen: Das Nerven­gewebe fängt Licht ein und gibt die Information weiter an das Gehirn, das Pigmentepithel schattet reflek­tiertes Licht ab und versorgt das Nerven­­ge­webe mit Nähr­stoffen. Die blinde Netz­haut hin­gegen verdankt ihren Namen ihrer indirekten Rolle: Sie regelt die Pupillen­öffnung und hält die Flüssigkeit im Augapfel klar.

Bei Säugetieren konnten Forscherinnen und Forscher bisher nur in jener blinden Netzhaut Stamm­zellen entdecken – mussten aber fest­stellen, dass sich diese Stamm­zellen zeitlebens im Zustand des Schlafes befinden, also nicht aktiv sind.

Bei Fischen ist dies hingegen ganz anders: Sie ­ver­fügen in ihrer Netz­haut über lebens­lang aktive Stamm­zellen – und zwar in allen drei Teilen der Netzhaut: im Nerven­gewebe, im Pigmentepithel und in der blinden Netz­haut. Diesen Stamm­zellen ist es zu verdanken, dass das Auge im Laufe der Entwicklung vom Jung- zum Alt­tier mitwächst. Und dabei stellt sich eine wichtige Frage: Wie ist sicher­gestellt, dass in allen drei Teilen immer genau so viele Zellen gebildet werden, die eine funktions­tüchtige Netz­haut braucht? Oder genauer: Wie stimmen sich die Zellen unter­einander ab? Denn das ist wichtig: Gerät das Zell­wachstum außer Kontrolle, könnten krebs­artige Geschwüre die Folge sein.

Antworten auf diese Frage erhofften wir uns von dem nur etwa drei­einhalb Zentimeter langen japanischen Reis­fisch Medaka (Oryzias latipes). Um das Stamm­zellen­wachstum in dessen Netz­haut zu erforschen, mussten wir zunächst einen Trick anwenden. Weil sich die Aktivität von Stamm­zellen nämlich nicht direkt beobachten lässt, aktivierten wir in ihnen gezielt ein Gen, das die Produktion eines leuchtenden Proteins veranlasste. Dieses Gen wurde bei der Zell­teilung an die Tochter­zellen vererbt, die sich nun ebenfalls durch das leuchtende Protein verrieten.

In den Netzhaut­präparaten erwachsener Fische konnten wir nun zahl­reiche dieser farbigen Zellen erkennen. Unser Ziel war nun, die einzelnen ­Zell­­generationen zu identifizieren. Wir mussten die Teilungen nach­voll­ziehen, also gleichsam Ahnen­­forschung mit Zellen betreiben.

Da sich die zeitliche Entwicklung der Stamm­zellen­­familien nicht im Tier­präparat beobachten lässt, bedienten wir uns eines mathematischen Modells als Grundlage für eine Computer­simulation. Die simulierte Netzhaut bildete eine halb­kugel­förmige ­Oberfläche, auf der die virtuellen Zellen dicht an dicht wie in einem Waben­muster gepackt waren. Aus früheren Studien wussten wir, dass sich nur die Zellen am Rand der Halb­kugel teilen durften: die virtuellen Stamm­zellen. Wir fütterten dieses Modell also mit unseren Beobachtungen unter dem Mikroskop und veränderten die Parameter derart, dass die Simulation die Beobachtungen gut wiedergab. So konnten wir auf der Basis von wenigen Präparaten gleichsam einen Film über das Stamm­zellen­wachstum im Laufe des Fisch­lebens erstellen.

Dieser „Zellstammbaum“ offenbarte, dass die Stammzellen im Nervengewebe das Wachstum dominieren und den Stamm­zellen im Pigmentepithel signalisieren, wann sie aktiviert werden und neue Zellen bilden sollen. Die Stamm­zellen des Nerven­­gewebes geben also offenbar das Wachstums­tempo vor, während die Stammzellen des Pigmentepithels sich diesem Tempo anpassen.

Auch auf die zentrale Frage nach der Kommunika­tion zwischen den Zellen innerhalb des Pigment­­epithels lieferte die Simulation einen wichtigen Hinweis: Im Pigmentepithel dauerte es viel länger, bis die Stammzellen neue Tochter­zellen erzeugten. Dafür gab es zwei mögliche Gründe: Entweder waren die Zellen von Natur aus weniger ertrag­reich oder es gab schlafende Stamm­zellen, die durch ihre Untätigkeit den Durch­schnitt verzerrten.

Um der Sache auf den Grund zu gehen, wendeten wir uns wieder dem Reisfisch zu und markierten teilungs­fähige Zellen im Pigmentepithel. Dazu verwendeten wir eine farbige Chemikalie, die von den Zellen als natürlicher DNA-Baustein erkannt wird. Über­raschender­weise stießen wir dabei auf teilungs­fähige Zellen, die aber gar nicht über die notwendigen Proteine für den Teilungs­prozess verfügten. Dies mussten die schlafenden Stamm­zellen sein. ­Aller­dings konnten diese – anders als im ­Säuge­tier­auge – erwachen und neue Tochter­­zellen erzeugen.

So wurde das Bild immer klarer: Stammzellen des Nerven­gewebes konnten nach Bedarf neuen Raum erschaffen. In dem Fall wuchs die Ober­fläche unserer simulierten Netz­haut­halb­kugel, während die Stamm­zellen des Pigmentepithels nur um den bestehenden Platz wetteiferten. Zellen, die keinen Platz ergattern konnten, schliefen ein, bis neuer Wohn­raum vor­handen war. So wuchs die Zell­bevölkerung im Nerven­­gewebe Hand in Hand mit der im Pigment­epithel. Durch diese gemeinsame Strategie wuchsen beide immer in abgestimmtem Tempo – nicht zu viel und nicht zu wenig.

Und was hat es mit der blinden Netzhaut auf sich? Das unscheinbare Häutchen grenzt sowohl ans Nerven­gewebe als auch ans Pigmentepithel. Und: Anders als im Fischauge finden sich bei Säugetieren nur hier (inaktive) Stamm­zellen.

Als wir uns nun diese blinde Netzhaut beim Reis­fisch anschauten, machten wir eine über­raschende Ent­deckung. In Jungtieren befinden sich die Stamm­­zellen in einem Zustand der Inaktivität. Sie schlafen. Erst im Laufe der Zeit wachen sie auf und werden aktiv – ihre Tochter­zellen siedeln über die Grenze der blinden Netz­haut hinweg ins Pigmentepithel und ins Nerven­gewebe über. Dort tun sie, was Stamm­zellen tun: Sie differenzieren sich in die in Pigmentepithel und Nerven­gewebe benötigten funktionalen Zellen.

Wir wissen nun also erstens, wie sich die Stamm­zellen in den Netz­haut­geweben derart steuern, dass das Wachstum synchron verläuft – für die Funktion des Auges ist dies unerlässlich. Zweitens verfügt die blinde Netzhaut des Reis­fisches über Stamm­zellen, die im Verlauf des Lebens sowohl zum Pigmentepithel als auch zum Nerven­gewebe beitragen können. Und so steht am Ende unserer Arbeit die große Frage, warum die Stamm­zellen in der blinden Netzhaut bei Fischen im Lauf des Lebens aktiv werden, während das bei Säugetieren offenbar nicht der Fall ist. Welcher Mechanismus ist für die Aktivierung erforderlich? Und: Ist es auf irgendeine Weise möglich, die Stamm­zellen im Säugetier und damit auch bei uns Menschen zu aktivieren? Noch sind wir weit davon entfernt, diese Fragen beantworten zu können. Doch sind wir ziemlich sicher, dass in diesen schlafenden Stamm­zellen in unseren Augen einiges Potenzial steckt.