German Title: Organoid-basierte Studien zu den grundlegenden Regeln der Selbstorganisation und Strukturierung von Netzhautgewebe

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Abstract

The formation of an organ during development is a complex, highly regulated process that involves a variety of signals provided by the organismal context. In contrast, in culture, stem cells self-organize into 3D tissues, which recapitulate certain aspects of tissue architecture and cell composition seen in vivo. These organoids provide a valuable tool for analyzing tissue formation under controlled biochemical or biomechanical conditions. In this study, I employed retinal organoids grown from blastula cells of medaka fish (Oryzias latipes), which recapitulate aspects of early retinal development but fail to undergo the characteristic morphogenesis of the retina to the double-layered cup-shape, nor form cells of the ciliary margin zone (CMZ). Using this system, I investigated how mechanical cues instruct retinal cell type specification in retinal organoids and explored the self-organization of retinal cells in different environments. Specifically, I examined the effect of mechanically-induced tissue bending on CMZ formation in retinal organoids, revealing that artificial imposition of tissue shape alone was not sufficient to induce CMZ. However, spontaneous emergence of CMZ-tissue within retinal organoids that contain both retinal and non-retinal tissue suggests the importance of tissue boundaries for establishing the different retinal domains. Further, I investigated the formation of the neural retina (NR) in the medaka organoids. I show that NR cell types differentiate and form clusters of recurring composition and arrangement. Contrasting with the stratified NR formed in the embryo, the cluster formation poses a striking alternative patterning of retinal cells, which is reminiscent of the compound eyes of insects. Supplementation of the organoid culture with Laminin enabled the establishment of NR cell layering. The results presented in this thesis provide insight into basic patterning processes employed by medaka retinal cells in reduced environments. Considering these features of organoids in future studies may help to understand evolutionary transitions between different organ phenotypes across species.

Translation of abstract (German)

Bei der Entwicklung von Organen ist eine Vielzahl von Faktoren involviert, die im organismischen Umfeld in komplexer zeitlicher und räumlicher Präzision zusammenspielen. Im Gegensatz dazu bilden Stammzellen in 3D-Kultur selbstständig Gewebe (Organoide), die in ihrer Zellkomposition und Gewebsarchitektur einige Charakteristika von in vivo Organen aufweisen, diese jedoch nicht in ihrer Gänze imitieren können. In dieser kontrollierten biochemischen und biomechanischen Umgebung kann die Formierung von den Organ-ähnlichen Geweben iterativ analysiert werden. In dieser Studie verwendete ich Retina-Organoide aus Medaka (Oryzias latipes) Blastulazellen, welche einige Aspekte der frühen Retinaentwicklung durchlaufen, jedoch weder die charakteristische Morphogenese der Retina zu einer doppelschichtigen becherförmigen Struktur, noch Zellen der ciliaren Randzone (CMZ) bilden. Basierend auf diesen Retina-Organoiden untersuchte ich den Einfluss von mechanischen Signalen auf die Spezifizierung von Retinazelltypen, sowie die Selbstorganisation von Retinazellen in verschiedenen Umgebungen. Ich untersuchte wie mechanisches Biegen des differenzierenden Retinagewebes die Entstehung der CMZ beeinflusst. Die künstliche Änderung der Gewebsmorphologie allein war nicht ausreichend für die Bildung der CMZ. Die spontane Entstehung von CMZ-Gewebe in Retina-Organoiden, die sowohl retinales als auch nicht-retinales Gewebe enthalten, weist auf die Bedeutung von Gewebe-Grenzen für die Bildung der verschieden Retinadomänen hin. Weiterhin untersuchte ich die Bildung der neuronalen Retina (NR) in späteren Stadien der Organoidkultur. Ich zeige, dass Zelltypen der NR differenzieren und sich in Clustern formieren. Diese Cluster bestehen aus allen NR-Zelltypen in wiederkehrender Zusammensetzung und Anordnung. Im Gegensatz zum geschichteten Aufbau der NR im Medaka Embryo stellt die Clusterbildung eine herausstechende Alternativorganisation von NR-Zellen dar, die eher an jene der Facettenaugen von Insekten erinnern. Durch die Ergänzung der Organoid-Kultur mit Laminin konnte ich zeigen, dass die Schichtung des Retinagewebes etabliert werden kann.