約翰霍普金斯大學的科學家們發現了人類在出生前如何發展出清晰中央視覺的機制，確定了一種維生素A衍生的分子與視網膜中的甲狀腺激素之間經過精確計時的相互作用。這項發現挑戰了數十年來關於關鍵感光細胞如何形成的解釋，並可能指導未來治療黃斑部病變、青光眼和其他損害視力的疾病。
這項依賴實驗室培養的視網膜組織進行的研究，發表在《美國國家科學院院刊》上。
實驗室培養的視網膜揭示了清晰視覺如何形成
「這是理解視網膜中心內部運作的關鍵一步，它是眼睛的一個重要部分，也是黃斑部病變患者首先出現問題的區域，」領導這項研究的約翰霍普金斯大學生物學副教授 Robert J. Johnston Jr. 表示。「透過更好地理解這個區域並開發模擬其功能的類器官，我們希望有一天能夠培養和移植這些組織來恢復視力。」
為了研究人類眼睛如何發育，研究人員使用了類器官，這是從胎兒細胞培養出來的小組織簇，能密切模擬視網膜的部分結構。在觀察這些實驗室培養的視網膜數月後，團隊確定了塑造中央凹（foveola）的細胞事件，中央凹是視網膜中心負責最清晰視覺的微小區域。
該研究聚焦於視錐細胞，這些感光細胞提供日間和彩色視覺。這些細胞最終會變成藍色、綠色或紅色視錐細胞，每種細胞對不同波長的光做出反應。儘管中央凹僅佔視網膜的一小部分，但它卻負責約一半的人類視覺感知。與視網膜的其他區域不同，後者存在所有三種類型的視錐細胞，而中央凹僅包含紅色和綠色視錐細胞。
視錐細胞的驚人轉變
人類擁有三種不同的視錐細胞類型，這使得廣泛的色彩視覺成為一種不尋常的特徵。這種特殊模式究竟是如何發展的，數十年來一直是一個謎。根據 Johnston 的說法，科學家們一直難以研究這個過程，因為常見的研究動物，如小鼠和魚類，並不會發展出相同的感光細胞排列方式。
新的發現表明，中央凹的視錐細胞模式是透過胎兒早期發育中一系列協調的事件建立的。在第 10 至 12 週期間，少數藍色視錐細胞出現在發育中的中央凹。然而，到了第 14 週，這些細胞已經轉變為紅色和綠色視錐細胞。
研究人員發現，這是透過兩種獨立的機制實現的。首先，維生素A衍生的分子——視黃酸（retinoic acid）被分解，減少了新藍色視錐細胞的形成。然後，甲狀腺激素驅動剩餘的藍色視錐細胞轉變為紅色和綠色視錐細胞。
「首先，視黃酸有助於建立模式。然後，甲狀腺激素在轉變剩餘細胞中起作用，」Johnston 說。「這非常重要，因為如果你有藍色視錐細胞在那裡，你的視力就不會那麼好。」
這些結果為一個困擾視覺研究人員數十年的問題提供了新的解釋。主流理論認為，藍色視錐細胞形成於視網膜中心，然後向外遷移。然而，新的證據表明，這些細胞留在原地，但改變了它們的身份，變成了紅色和綠色視錐細胞，從而產生了清晰視覺所需的特殊排列。
「該領域大約 30 年前的模型是，該區域中少數的藍色視錐細胞會設法移開，這些細胞決定了它們將成為什麼，並且它們將永遠保持這種細胞類型，」Johnston 說。「我們還不能完全排除這種可能性，但我們的數據支持另一種模型。這些細胞實際上會隨著時間轉變，這真的很令人驚訝。」
未來視力恢復的潛力
研究人員認為，這些發現最終可能支持治療視力喪失的新方法。Johnston 的團隊正在繼續改進他們的視網膜類器官，使其更接近人類視網膜的功能。更好的模型可以幫助科學家們生產更健康的感光細胞，用於未來針對黃斑部病變等疾病的細胞替代療法，黃斑部病變目前尚無治癒方法。
「使用這種類器官技術的目標是最終製造出幾乎是訂製生產的感光細胞群。一個主要的潛在途徑是細胞替代療法，引入健康的細胞，這些細胞可以重新整合到眼睛中，並可能恢復失去的視力，」現任芝加哥細胞治療公司 CiRC Biosciences 的分子和細胞生物學家 Hussey 說。「這些是非常長期的實驗，當然，在進入臨床之前，我們需要進行安全性和有效性研究的優化。但這是一條可行的道路。」
