一项惊人的发现正在重塑科学家对人类出生前如何发育出敏锐中心视力的认知。研究发现，蓝视锥细胞并非从视网膜中心迁移离开，而是在维生素A相关信号和甲状腺激素的影响下，转化为红视锥细胞和绿视锥细胞。这些发现有望改进实验室培养的视网膜组织，并为未来的细胞疗法奠定基础，用于恢复因年龄相关性眼病而丧失的视力。
这项依赖于实验室培养的视网膜组织的研究发表在《美国国家科学院院刊》上。
实验室培养的视网膜揭示了敏锐视觉的形成过程
“这是理解视网膜中心运作机制的关键一步，视网膜中心是眼睛的关键部分，也是黄斑变性患者中最先衰竭的部位，”领导这项研究的约翰霍普金斯大学生物学副教授小罗伯特·J·约翰斯顿说。“通过更好地了解这一区域并开发模仿其功能的类器官，我们希望有一天能够培养并移植这些组织以恢复视力。”
为了研究人眼的发育过程，研究人员使用了类器官，即由胎儿细胞培养出的组织小簇，它们能紧密模拟视网膜的部分功能。在对这些实验室培养的视网膜进行了数月的观察后，研究团队确定了塑造中央凹的细胞事件，中央凹是视网膜中心负责最敏锐视觉的微小区域。
该研究重点关注视锥感光细胞，这是一种提供日间视觉和色觉的感光细胞。这些细胞最终会分化为蓝视锥细胞、绿视锥细胞或红视锥细胞，分别对不同波长的光做出反应。尽管中央凹仅占视网膜的一小部分，但它负责约一半的人类视觉感知。与存在所有三种视锥细胞的视网膜其他区域不同，中央凹仅包含红视锥细胞和绿视锥细胞。
视锥细胞的惊人转变
人类拥有三种不同的视锥细胞，从而能够感知广泛的色彩，这在自然界中并不多见。这种特化模式究竟是如何发育形成的，几十年来一直是个谜。据约翰斯顿介绍，科学家们一直难以研究这一过程，因为小鼠和鱼类等常见研究动物不会发育出相同的感光细胞排列。
新发现表明，中央凹内的视锥细胞模式是在胎儿发育早期通过一系列协调有序的事件建立的。在第10至12周期间，少量蓝视锥细胞出现在发育中的中央凹。然而到了第14周，这些细胞已经转变成了红视锥细胞和绿视锥细胞。
研究人员发现，这一过程通过两种独立的机制发生。首先，视黄酸（一种源自维生素A的分子）被分解，从而减少了新蓝视锥细胞的形成。随后，甲状腺激素驱动剩余的蓝视锥细胞转化为红视锥细胞和绿视锥细胞。
“首先，视黄酸帮助设定模式。然后，甲状腺激素在转化残留细胞的过程中发挥作用，”约翰斯顿说。“这一点非常重要，因为如果那里存在蓝视锥细胞，视力就不会那么敏锐。”
挑战长期存在的理论
这些结果为困扰视觉研究人员数十年的问题提供了新的解释。此前的主流理论认为，蓝视锥细胞在视网膜中心形成，随后向外迁移。然而，新的证据表明，这些细胞实际上留在原地，但转变了身份成为红视锥细胞和绿视锥细胞，从而产生了敏锐视觉所需的特化排列。
“大约30年前该领域的主流模型认为，该区域出现的少数蓝视锥细胞以某种方式移开了，即这些细胞决定了它们要成为什么，然后就永远保持那种类型的细胞，”约翰斯顿说。“我们还不能完全排除这种可能性，但我们的数据支持另一种模型。这些细胞实际上随着时间推移发生了转化，这确实令人惊讶。”
未来视力恢复的潜力
研究人员认为，这些发现最终可能为治疗视力丧失提供新方法。约翰斯顿的团队正在继续改进其视网膜类器官，使其功能更接近人类视网膜。更好的模型可以帮助科学家为未来的细胞替代疗法培养出更健康的感光细胞，用于治疗黄斑变性等目前无法治愈的疾病。
“利用这种类器官技术的目标是最终制造出近乎定制化的感光细胞群。一个巨大的潜在应用途径是细胞替代疗法，即引入健康的细胞，使其重新整合到眼睛中，从而有望恢复丧失的视力，”现任芝加哥细胞治疗公司CiRC Biosciences分子与细胞生物学家的赫西说，“这些都是非常长期的实验，当然，在进入临床阶段之前，我们需要针对安全性和有效性研究进行优化。但这确实是一条可行之路。”