Näthinnan är en ljuskänslig vävnad som finns på baksidan av ryggradsdjurens öga som omvandlar ljussignaler till nervimpulser genom ett biokemiskt fenomen som kallas fototransduktionsvägen. De initiala nervimpulserna som genereras i näthinnans fotoreceptorceller transduceras till andra retinala interneuroner och retinala ganglieceller (RGC) och når hjärnans visuella cortex, vilket hjälper till med bilduppfattning och visuellt svar.

Enligt Världshälsoorganisationen (WHO) är uppskattningsvis 1,5 miljoner barn blinda, varav 1 miljon i Asien. Ärftlig retinal dystrofi (IRD) är en stor blindande sjukdom som drabbar 1 av 4 000 individer över hela världen ^1,2,3, medan förekomsten av blindhet i samband med åldersrelaterad makuladegeneration (AMD) varierar från 0,6% –^1,1% i utvecklingsländer ⁴. IRD orsakas av ärftliga genetiska defekter i över 300 olika gener som är involverade i näthinnans utveckling och funktion⁵. Sådana genetiska förändringar resulterar i störningar av normala näthinnefunktioner och gradvis degenerering av näthinneceller, nämligen fotoreceptorcellerna och det retinala pigmenterade epitelet (RPE), vilket leder till allvarlig synförlust och blindhet. Enorma framsteg har gjorts i andra bländande förhållanden som involverar hornhinnan, linsen etc. Retinala dystrofier och optiska nervatrofier har dock hittills ingen beprövad behandling. Eftersom en vuxen mänsklig näthinna inte har stamceller⁶, kan alternativa källor såsom embryonala stamceller (ESC) och patient-derived induced pluripotent stem cells (iPSCs) ge ett obegränsat utbud av önskade celltyper och hålla ett stort löfte för att utveckla komplexa vävnadsorganoider som krävs för in vitro-sjukdomsmodelleringsstudier och för att utveckla regenerativa terapier^{7, 8,9,10}.

Flera års näthinneforskning har lett till en bättre förståelse av molekylära händelser som orkestrerar tidig näthinneutveckling. De flesta protokoll för att generera retinala celler och 3D-organoider från PSC syftar till att rekapitulera dessa utvecklingshändelser in vitro genom att odla cellerna i en komplex cocktail av tillväxtfaktorer och små molekyler för att modulera de kända biologiska processerna på ett stegvis sätt. De retinala organoider som sålunda genereras består av stora retinala celler: retinala ganglieceller (RGC), interneuroner, fotoreceptorer och retinalt pigmenterat epitel (RPE)11,12,13,14,15,16,17,18,19. Trots framgångsrika försök att modellera IRD med retinala organoider utgör kravet på den komplexa cocktailen av tillväxtfaktorer och små molekyler under differentiering och den relativt låga effektiviteten hos retinal organoidgenerering en stor utmaning med de flesta protokoll. De inkluderar huvudsakligen bildandet av embryoidkroppar, följt av deras stegvisa differentiering i retinala linjer med hjälp av komplexa odlingsförhållanden vid olika stadier av in vitro-utveckling ^20,21,22.

Här rapporteras en förenklad och robust metod för att utveckla komplexa 3D-neuro-retinala organoider från friska kontroll- och retinala sjukdomsspecifika hiPSC. Protokollet som beskrivs här använder direkt differentiering av nästan konfluenta hiPSC-kulturer utan att behöva embryoidkroppsbildning. Dessutom förenklas komplexiteten hos odlingsmediet, vilket gör det till en kostnadseffektiv och reproducerbar teknik som lätt kan antas av nya forskare. Det involverar ett hybridodlingssystem bestående av vidhäftande monolagerkulturer under de första 4 veckorna av retinal differentiering tills uppkomsten av distinkta, självorganiserade ögonfältprimordiala kluster (EFP). Vidare plockas de cirkulära neuro-retinala öarna inom varje EFP manuellt och odlas i suspensionskulturer i 1-2 veckor för att förbereda flerskiktade 3D-retinalkoppar eller organoider bestående av PAX6+ och CHX10⁺ prolifererande neuro-retinala prekursorer. Förlängd odling av retinala organoider i 100 μM taurininnehållande medium i ytterligare 4 veckor resulterade i uppkomsten av RCVRN+ och CRX⁺ fotoreceptorprekursorer och mogna celler med rudimentära inre segmentliknande förlängningar.