Mécanismes moléculaires régulant la pathologie dendritique dans la rétine adulte lésée in vivo

Les dendrites sont essentielles pour la réception et l’intégration des stimuli afférents dans les neurones. De plus en plus d’évidences d’une détérioration dendritique sont associées à une axonopathie dans les maladies neurodégénératives. Le glaucome dont la physiopathologie est caractérisée par une détérioration progressive et irréversible des cellules ganglionnaires de la rétine (CGRs) est la première cause de cécité irréversible dans le monde. Son évolution est associée à un amincissement graduel des axones et à l’atrophie des somas des CGRs. La majorité des études de neuroprotection des neuropathies rétiniennes visent la survie et la protection des somas et des axones. Des études récentes ont démontré des changements dendritiques associés à cette pathologie, toutefois les mécanismes moléculaires les régulant sont méconnus. L’hypothèse principale de ma thèse stipule qu’une lésion axonale entraîne des altérations précoces des structures dendritiques. L’identification de voies de signalisation régulant ces changements permettrait d’élaborer des stratégies de neuroprotection et de rétablir la fonction de ces neurones. Dans la première étude, nous avons examiné l’effet précoce d’une lésion axonale aigüe sur la morphologie dendritique des CGRs in vivo. En utilisant des souris transgéniques exprimant la protéine fluorescente jaune (YFP) soumises à une axotomie, nous avons démontré un rétrécissement de l’arbre dendritique des CGRs et une diminution sélective de l’activité de mTOR avant le début de la mort des CGRs lésées. Aussi nous avons démontré une augmentation de l’expression de la protéine Regulated in development and DNA damage response 2 (REDD2), un régulateur négatif en amont de la protéine mTOR en réponse à la lésion du nerf optique in vivo. Nous avons démontré que la réactivation de mTOR par l’inhibition de l’expression de REDD2 préserve les arbres dendritiques des CGRs adultes. En effet, l’injection de petits ARN d’interférence contre la REDD2 (siREDD2) stimule l’activité de mTOR dans les CGRs lésées et augmente significativement la longueur et la surface dendritique totale. De plus, la rapamycine, un inhibiteur de mTOR, inhibe complètement l’effet du siREDD2 sur la croissance et l’élaboration des dendrites. L’analyse électrophysiologique des CGRs démontre une augmentation de l’excitabilité des CGRs lésées qui est restaurée en présence du siREDD2. Par ailleurs, des données récentes ont mis en évidence l’implication de la neuro-inflammation dans le glaucome, caractérisée par une augmentation de cytokines pro-inflammatoires dont principalement le facteur de nécrose tumorale (TNFα). Ainsi dans la deuxième étude nous avons examiné l’effet du TNF exogène sur la morphologie de l’arbre dendritique des CGRs et commencé l’étude des mécanismes moléculaires sous-jacents à ces changements. Nos résultats démontrent que l’injection de TNF recombinante dans le vitrée induit une rétraction dendritique précoce qui corrèle à une réduction de phospho-S6 suggérant l’implication de mTOR dans ces CGRs lésées. Ainsi, les études présentées dans cette thèse mettent en évidence un nouveau rôle de mTOR dans la stabilité et le maintien des dendrites de neurones rétiniennes adultes. Ces études ont aussi démontré l’effet précoce de stress direct ou indirect, c’est-à-dire l’axotomie et le TNFα respectivement sur la pathologie dendritique et sur leur effet sur la fonction neuronale.

Role of Reactive Gliosis and Neuroinflammation in Experimental Glaucoma

Le glaucome est la principale cause de cécité irréversible dans le monde. Chez les patients atteints de cette pathologie, la perte de la vue résulte de la mort sélective des cellules ganglionnaires (CGR) de la rétine ainsi que de la dégénérescence axonale. La pression intraoculaire élevée est considérée le facteur de risque majeur pour le développement de cette maladie. Les thérapies actuelles emploient des traitements pharmacologiques et/ou chirurgicaux pour diminuer la pression oculaire. Néanmoins, la perte du champ visuel continue à progresser, impliquant des mécanismes indépendants de la pression intraoculaire dans la progression de la maladie. Il a été récemment démontré que des facteurs neuroinflammatoires pourraient être impliqués dans le développement du glaucome. Cette réponse est caractérisée par une régulation positive des cytokines pro-inflammatoires, en particulier du facteur de nécrose tumorale alpha (TNFα). Cependant, le mécanisme par lequel le processus neuroinflammatoire agit sur la mort neuronale reste à clarifier. L’hypothèse principale de ce doctorat propose que les facteurs pro-inflammatoires comme le TNFα et la phosphodiestérase 4 (PDE4) interagissent avec les mécanismes moléculaires de la mort neuronale, favorisant ainsi la survie et la protection des CGRs au cours du glaucome. Dans la première partie de ma thèse, J’ai utilisé un modèle in vivo de glaucome chez des rats Brown Norway pour montrer que l’expression du TNFα est augmentée après l'induction de l'hypertension oculaire. L'hypothèse spécifique de cette étude suggère que les niveaux élevés de TNFα provoquent la mort des CGRs en favorisant l'insertion de récepteurs AMPA perméables au calcium (CP-AMPAR) à la membrane cytoplasmique. Pour tester cette hypothèse, j’ai utilisé un inhibiteur sélectif de la forme soluble du TNFα, le XPro1595. L'administration de cet agent pharmacologique a induit une protection significative des somas et des axones des neurones rétiniens. L'évaluation de la perméabilité au cobalt a montré que le TNFα soluble est impliqué dans l'insertion de CP-AMPAR à la membrane des CGRs lors du glaucome. L’exposition des neurones à une pression oculaire élevée est à l’origine de la hausse de la densité membranaire des CP-AMPARs, grâce à une diminution de l’expression de la sous-unité GluA2. La présence de GluA2 au sein du récepteur ne permet pas l’entrée du calcium à l’intérieur de la cellule. L'administration intraoculaire d’antagonistes spécifiques des CP-AMPARs promeut la protection des somas et des axones des CGRs. Ces résultats montrent que les CP-AMPARs jouent un rôle important dans la pathologie du glaucome. Dans la deuxième partie de ma thèse, j’ai caractérisé l'effet neuroprotecteur d’un inhibiteur de la PDE4, l’ibudilast, dans notre modèle de glaucome. L'hypothèse spécifique s’oriente vers une atténuation de la réponse neuroinflammatoire et de la gliose par l’administration d’ibudilast, favorisant ainsi la protection neuronale. Les résultats montrent que dans les rétines glaucomateuses, l’ibudilast diminue la gliose et l'expression de plusieurs facteurs tels que le TNFα, l'interleukine-1β (IL-1β), l’interleukine-6 (IL-6) et le facteur inhibiteur de la migration des macrophages (MIF). Chez les rats glaucomateux, nous avons observé une expression notable de PDE4A dans les cellules de Müller, qui est en corrélation avec l'accumulation de l’AMP cyclique (AMPc) dans ces cellules après un traitement d’ibudilast. Finalement, nous avons démontré que la protection des CGRs via l’administration d’ibudilast est un mécanisme dépendent de l’AMPc et de la protéine kinase A (PKA). En conclusion, les résultats présentés dans cette thèse identifient deux mécanismes différents impliqués dans la perte des CGRs au cours du glaucome. Ces mécanismes pourraient fournir des perspectives potentielles pour le développement de nouvelles stratégies de traitement du glaucome.

TRPV1 receptors are involved in protein nitration and Muller cell reaction in the acutely axotomized rat retina

We report here the protein expression of TRPV1 receptor in axotomized rat retinas and its possible participation in mechanisms involved in retinal ganglion cell (RGC) death. Adult rats were subjected to unilateral, intraorbital axotomy of the optic nerve, and the retinal tissue was removed for further processing. TRPV1 total protein expression decreased progressively after optic nerve transection, reaching 66.2% of control values 21 days after axotomy. The number of cells labeled for TRPV1 in the remnant GCL decreased after 21 days post-lesion (to 63%). Fluoro-jade B staining demonstrated that the activation of TRPV1 in acutely-lesioned eyes elicited more intense neuronal degeneration in the GCL and in the inner nuclear layer than in sham-operated retinas. A single intraocular injection of capsazepine (100 mu M), a TRPV1 antagonist, 5 days after optic nerve lesion, decreased the number of GFAP-expressing Muller cells (72.5% of control values) and also decreased protein nitration in the retinal vitreal margin (75.7% of control values), but did not affect lipid peroxidation. Furthermore, retinal explants were treated with capsaicin (100 mu M), and remarkable protein nitration was then present, which was reduced by blockers of the constitutive and inducible nitric oxide synthases (7-NI and aminoguanidine, respectively). TRPV1 activation also increased GFAP expression, which was reverted by both TRPV1 antagonism with capsazepine and by 7-NI and aminoguanidine. Given that Muller cells do not express TRPV1, we suppose that the increased GFAP expression in these cells might be elicited by TRPV1 activation and by its indirect effect upon nitric oxide overproduction and peroxynitrite formation. We incubated Fluorogold pre-labeled retinal explants in the presence of capsazepine (1 mu M) during 48 h. The numbers of surviving RGCs stained with fluorogold and the numbers of apoptotic cells in the GCL detected with TUNEL were similar in lesioned and control retinas. We conclude that TRPV1 receptor expression decreased after optic nerve injury due to death of TRPV1-containing cells. Furthermore, these data indicate that TRPV1 might be involved in intrinsic protein nitration and Muller cell reaction observed after optic nerve injury. (C) 2010 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Complexity and anisotropy in host morphology make populations less susceptible to epidemic outbreaks

One of the challenges in epidemiology is to account for the complex morphological structure of hosts such as plant roots, crop fields, farms, cells, animal habitats and social networks, when the transmission of infection occurs between contiguous hosts. Morphological complexity brings an inherent heterogeneity in populations and affects the dynamics of pathogen spread in such systems. We have analysed the influence of realistically complex host morphology on the threshold for invasion and epidemic outbreak in an SIR (susceptible-infected-recovered) epidemiological model. We show that disorder expressed in the host morphology and anisotropy reduces the probability of epidemic outbreak and thus makes the system more resistant to epidemic outbreaks. We obtain general analytical estimates for minimally safe bounds for an invasion threshold and then illustrate their validity by considering an example of host data for branching hosts (salamander retinal ganglion cells). Several spatial arrangements of hosts with different degrees of heterogeneity have been considered in order to separately analyse the role of shape complexity and anisotropy in the host population. The estimates for invasion threshold are linked to morphological characteristics of the hosts that can be used for determining the threshold for invasion in practical applications.

Efeitos do citrato de sildenafila sobre a neuroproteção na neuropatia óptica, em ratos (Lewis/SsNHsd) com glaucoma agudo

Pós-graduação em Cirurgia Veterinária - FCAV

Cone contrast influence on components of the pattern onset/offset VECP

Transient visual evoked cortical potentials (VECP) were recorded from the scalp of healthy normal trichromats (n = 12). VECPs were elicited by onset/offset presentation of patterned stimuli of two kinds: isochromatic luminance-modulated, and equiluminant red-green modulated, sine wave gratings. The amplitude and latency of the major onset components of the onset/offset VECP were measured and plotted as a function of the logarithm of pooled cone contrast. The early onset components, achromatic C1 and chromatic N1, increase linearly with log contrast, but N1 has a higher contrast gain than C1. The late onset components, achromatic C2 and chromatic N2, have similar contrast gain, and similar response as a function of contrast level: both increase in the low-to-medium range of contrasts and saturate at high contrast levels. In the range of pooled cone contrast tested, C1 and N1 show similar latencies, whilst C2 shows shorter latencies than N2. We suggest that C1 and N1 are generated by the same visual mechanism with high red-green contrast gain and low luminance contrast gain, whilst C2 and N2 are generated by different visual mechanisms.

Cone photopigment variations in Cebus apella monkeys evidenced by electroretinogram measurements and genetic analysis

We investigated the color vision pattern in Cebus apella monkeys by means of electroretinogram measurements (ERG) and genetic analysis. Based on ERG we could discriminate among three types of dichromatic males. Among females, this classification is more complex and requires additional genetic analysis. We found five among 10 possible different phenotypes, two trichromats and three dichromats. We also found that Cebus present a new allele with spectral peak near 552 nm, with the amino acid combination SFT at positions 180, 277 and 285 of the opsin gene, in addition to the previously described SYT, AFT and AFA alleles. (C) 2009 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Toward a Clinical Protocol for Assessing Rod, Cone, and Melanopsin Contributions to the Human Pupil Response

PURPOSE. To better understand the relative contributions of rod, cone, and melanopsin to the human pupillary light reflex (PLR) and to determine the optimal conditions for assessing the health of the rod, cone, and melanopsin pathways with a relatively brief clinical protocol. METHODS. PLR was measured with an eye tracker, and stimuli were controlled with a Ganzfeld system. In experiment 1, 2.5 log cd/m(2) red (640 +/- 10 nm) and blue (467 +/- 17 nm) stimuli of various durations were presented after dark adaptation. In experiments 2 and 3, 1-second red and blue stimuli were presented at different intensity levels in the dark (experiment 2) or on a 0.78 log cd/m(2) blue background (experiment 3). Based on the results of experiments 1 to 3, a clinical protocol was designed and tested on healthy control subjects and patients with retinitis pigmentosa and Leber`s congenital amaurosis. RESULTS. The duration for producing the optimal melanopsin-driven sustained pupil response after termination of an intense blue stimulus was 1 second. PLR rod-and melanopsin-driven components are best studied with low-and high-intensity flashes, respectively, presented in the dark (experiment 2). A blue background suppressed rod and melanopsin responses, making it easy to assess the cone contribution with a red flash (experiment 3). With the clinical protocol, robust melanopsin responses could be seen in patients with few or no contributions from the rods and cones. CONCLUSIONS. It is possible to assess the rod, cone, and melanopsin contributions to the PLR with blue flashes at two or three intensity levels in the dark and one red flash on a blue background. (Invest Ophthalmol Vis Sci. 2011; 52: 6624-6635) DOI: 10.1167/iovs.11-7586

Contrast Sensitivity Mediated by Inferred Magno- and Parvocellular Pathways in Type 2 Diabetics with and without Nonproliferative Retinopathy

PURPOSE. To evaluate achromatic contrast sensitivity (CS) with magnocellular-(M) and parvocellular-(P) probing stimuli in type 2 diabetics, with (DR) or without (NDR) nonproliferative retinopathy. METHODS. Inferred M-and P-dominated responses were assessed with a modified version of the steady-/pulsed-pedestal paradigm (SP/PP) applied in 26 NDR (11 male; mean age, 55 +/- 9 years; disease duration, 5 +/- 4 years); 19 DR (6 male; mean age, 58 +/- 7 years; disease duration = 9 +/- 6 years); and 18 controls (CTRL; 12 male; mean age, 55 +/- 10 years). Thresholds were measured with pedestals at 7, 12, and 19 cd/m(2), and increment durations of 17 and 133 ms. The thresholds from the two stimulus durations were used to estimate critical durations (Tc) for each data set. RESULTS. Both DR and NDR patients had significant reduction in CS in both SP and PP paradigms in relation to CTRL (Kruskal-Wallis, P < 0.01). Patients` critical duration estimates for either paradigm were not significantly different from CTRL. CONCLUSIONS. The significant reduction of CS in both paradigms is consistent with losses of CS in both M and P pathways. The CS losses were not accompanied by losses in temporal processing speed in either diabetic group. Significant CS loss in the group without retinopathy reinforces the notion that neural changes associated with the cellular and functional visual loss may play an important role in the etiology of diabetic visual impairment. In addition, the results show that the SP/PP paradigm provides an additional tool for detection and characterization of the early functional damage due to diabetes. (Invest Ophthalmol Vis Sci. 2011; 52:1151-1155) DOI:10.1167/iovs.09-3705

Mitochondrial dysfunction in hereditary optic neuropathies

MITOCHONDRIAL DYSFUNCTION IN HEREDITARY OPTIC NEUROPATHIES Mitochondrial pathologies are a heterogeneous group of clinical manifestations characterized by oxidative phosphorylation impairment. At the beginning of their recognition mitochondrial pathologies were regarded as rare disorders but indeed they are more frequent than originally thought. Due to the unique mitochondria peculiarities mitochondrial pathologies can be caused by mutations in both mitochondrial and nuclear genomes. The poor knowledge of pathologic mechanism of these disorders has not allowed a real development of the “mitochondrial medicine”, that is currently limited to symptoms mitigation. Leber hereditary optic neuropathy (LHON) was the first pathology to be linked to a point mutation in the mtDNA. The mechanism by which point mutations in mitochondrial gene encoding Complex I subunits leads to optic nerve degeneration is still unknown, although is well accepted that other genetic or environmental factors are involved in the modulation of pathology, where a pivotal role is certainly played by oxidative stress. We studied the relationship between the Ala16Val dimorphism in the mitochondrial targeting sequence of nuclear gene SOD2 and the 3460/ND1 LHON mutation. Our results show that, in control population, the heterozygous SOD2 genotype is associated to a higher activity and quantity of MnSOD, particularly with respect to Val homozygotes. Furthermore, we demonstrated that LHON patients harboring at least one Ala allele are characterized by an increased MnSOD activity with respect to relative control population. Since the ATP synthesis rate – severely reduced in LHON patients lymphocytes - is not affected by the SOD2 genotype, we concluded that SOD2 gene could modulate the pathogenicity of LHON mutations through a mechanism associated to an increase of reactive oxygen species production. Autosomal dominant optic atrophy (ADOA) is a pathology linked to mutations in nuclear gene encoding Opa1, a dynamin-related protein localized in the mitochondrial matrix. Although the clinical course is slightly different, the endpoint of ADOA is exactly the same of LHON: optic nerve degeneration with specific involvement of retinal ganglion cells. Opa1 is a relatively new protein, whose major role is the regulation of mitochondrial fusion. Mitochondrial morphology is the results of the equilibrium between two opposite force: fusion and fission, two processes that have to be finely regulated in order to preserve mitochondrial and cellular physiology. We studied fibroblasts deriving from ADOA patients characterized by a new deletion in the GTPase domain of the OPA1 gene. The biochemical characterization of ADOA and control fibroblasts has concerned the evaluation of ATP synthesis rate, mitochondrial membrane potential in different metabolic conditions and the morphological status of mitochondria. Regarding ATP synthesis rate we did not find significant differences between ADOA and control fibroblasts even though a trend toward increased reduction in ADOA samples is observed when fibroblasts are grown in absence of glucose or in the medium containing gramicidin. Furthermore, we found that also in ADOA fibroblasts membrane potential is actively maintained by proton pumping of fully functional respiratory chain complexes. Our results indicate that the mutation found in the pedigree analyzed acts primary impairing the mitochondrial fusion without affecting the energy production, supporting the notion that cell function is tightly linked to mitochondrial morphology. Mitochondrial dysfunctions are acquiring great attention because of their recognized relevance not only in aging but also in age-related pathologies including cancer, cardiovascular disease, type II diabetes, and neurodegenerative disorders. The involvement of mitochondria in such detrimental pathologies that, currently, have become so common enhances the necessity of standardization of therapeutic strategies capable of rescuing the normal mitochondrial function. In order to propose an alternative treatment for energy deficiency-disorders we tested the effect of substrates capable to stimulate the substrate-level phosphorylation on viability and energy availability in different experimental models grown under different metabolic conditions. In fibroblasts, the energy defect was achieved by culturing cells in presence of oligomycin, an inhibitor of ATP synthase complex. NARP cybrids have been used as model of mitochondrial pathology. Cell viability and ATP content have been considered as parameters to assay the capability of exogenous substrate to rescue energy failure. Our results suggest that patients suffering for some forms of ATP synthase deficiency, or characterized by a deficiency in energy production, might benefit from dietary or pharmacological treatment based on supplementation of α-ketoglutarate and aspartate.

Molecular bases, pathogenic mechanisms and possible therapeutic approach in Leber's Hereditary Optic Neuropathy

Leber’s hereditary optic neuropathy (LHON) is a mitochondrial disease characterized by a rapid loss of central vision and optic atrophy, due to the selective degeneration of retinal ganglion cells. The age of onset is around 20, and the degenerative process is fast and usually the second eye becomes affected in weeks or months. Even if this pathology is well known and has been well characterized, there are still open questions on its pathophysiology, such as the male prevalence, the incomplete penetrance and the tissue selectivity. This maternally inherited disease is caused by mutations in mitochondrial encoded genes of NADH ubiquinone oxidoreductase (complex I) of the respiratory chain. The 90% of LHON cases are caused by one of the three common mitochondrial DNA mutations (11778/ND4, 14484/ND6 and 3460/ND1) and the remaining 10% is caused by rare pathogenic mutations, reported in literature in one or few families. Moreover, there is also a small subset of patients reported with new putative pathogenic nucleotide changes, which awaits to be confirmed. We here clarify some molecular aspects of LHON, mainly the incomplete penetrance and the role of rare mtDNA mutations or variants on LHON expression, and attempt a possible therapeutic approach using the cybrids cell model. We generated novel structural models for mitochondrial encoded complex I subunits and a conservation analysis and pathogenicity prediction have been carried out for LHON reported mutations. This in-silico approach allowed us to locate LHON pathogenic mutations in defined and conserved protein domains and can be a useful tool in the analysis of novel mtDNA variants with unclear pathogenic/functional role. Four rare LHON pathogenic mutations have been identified, confirming that the ND1 and ND6 genes are mutational hot spots for LHON. All mutations were previously described at least once and we validated their pathogenic role, suggesting the need for their screening in LHON diagnostic protocols. Two novel mtDNA variants with a possible pathogenic role have been also identified in two independent branches of a large pedigree. Functional studies are necessary to define their contribution to LHON in this family. It also been demonstrated that the combination of mtDNA rare polymorphic variants is relevant in determining the maternal recurrence of myoclonus in unrelated LHON pedigrees. Thus, we suggest that particular mtDNA backgrounds and /or the presence of specific rare mutations may increase the pathogenic potential of the primary LHON mutations, thereby giving rise to the extraocular clinical features characteristic of the LHON “plus” phenotype. We identified the first molecular parameter that clearly discriminates LHON affected individuals from asymptomatic carriers, the mtDNA copy number. This provides a valuable mechanism for future investigations on variable penetrance in LHON. However, the increased mtDNA content in LHON individuals was not correlated to the functional polymorphism G1444A of PGC-1 alpha, the master regulator of mitochondrial biogenesis, but may be due to gene expression of genes involved in this signaling pathway, such as PGC-1 alpha/beta and Tfam. Future studies will be necessary to identify the biochemical effects of rare pathogenic mutations and to validate the novel candidate mutations here described, in terms of cellular bioenergetic characterization of these variants. Moreover, we were not able to induce mitochondrial biogenesis in cybrids cell lines using bezafibrate. However, other cell line models are available, such as fibroblasts harboring LHON mutations, or other approaches can be used to trigger the mitochondrial biogenesis.

Elektrophysiologische Untersuchungen am experimentellen Autoimmun-Glaukom-Modell

Das Glaukom ist eine der führenden Erblindungsursachen weltweit. Trotzdem ist die Pathogenese, die zur Degeneration der retinalen Ganglienzellen führt, bisher nicht verstanden. In den letzten Jahren ergaben sich verschiedene Hinweise auf die Beteiligung einer immunologischen Komponente. Thema dieser Arbeit waren elektrophysiologische Untersuchungen, im Sinne von visuell evozierten Potentialen, am Tiermodell des Experimentellen Autoimmun Glaukoms und die Etablierung dieses Modells. Das Modell basiert auf einer Immunisierung von Lewisratten mit Pertussistoxin, inkompletten Freunds Adjuvant und potentiellen Antigenen, die zu einer Immunreaktion und einem Verlust von retinalen Ganglienzellen führen sollen. Zur Etablierung des Experimentellen Autoimmun Glaukom Modells wurde eine fünfwöchige Studie mit vier Gruppen durchgeführt. Als Antigene wurden Glia fibrilläres saures Protein (n= 10) und Myelin basisches Protein (n=10) verwendet, die beide in Studien zu Serum- und Kammerwasseranalysen bei Glaukompatienten eine Abweichung zur Kontrollgruppe gezeigt hatten. Außerdem wurde eine Gruppe mit selbst hergestelltem Sehnerv-Homogenat (n=12) immunisiert. Eine Gruppe erhielt keine Immunisierung und diente als Kontrolle (n=10). Zur Überprüfung der Effekte des Modells dienten verschiedene Untersuchungsmethoden, wie die Augeninnendruckmessung und die Untersuchung der Fundi. Des Weiteren wurden transiente und stationäre visuell evozierte Potentiale abgeleitet und die Latenzen, Amplituden und die Marker S (Steigung) und TR (Temporale Antworten) verglichen. Außerdem erfolgte nach Tötung der Tiere die Entnahme der Gehirne und Augen. Die Gehirne wurden nach Paraffineinbettung geschnitten, mit Luxol Fast Blue und Kresylviolett gefärbt und hinsichtlich etwaiger Entmarkungsherde oder anderer Pathologien unter dem Mikroskop bewertet. Der Verlauf des intraokulären Drucks zeigte sowohl zwischen den Gruppen als auch zwischen den verschiedenen Zeitpunkten keine signifikanten Unterschiede. Er bewegte sich im physiologischen Bereich mit durchschnittlich circa 12 mmHg. Die Funduskopien lieferten zu keinem Zeitpunkt krankhafte Veränderungen. Auch die visuell evozierten Potentiale lieferten zwischen den Gruppen keine signifikanten Unterschiede, sondern belegten normale visuelle Funktion bei allen Tieren. Die Auswertung der histologischen Untersuchung der Hirnschnitte zeigte keine Entmarkungsherde. Die erzielten Ergebnisse dieser Arbeit legen nahe, dass der retinale Ganglienzellverlust beim Experimentellen Autoimmun Glaukom Modell ohne eine Augeninnendruckerhöhung stattfindet. Die Fundusuntersuchung und die visuell evozierten Potentiale, wie in diesem Versuchsaufbau durchgeführt, scheinen nicht sensibel genug zu sein, diese Verluste nachzuweisen. In weiteren Arbeiten sollten andere Methoden zum Nachweis der retinalen Ganglienzellverluste erprobt werden. Neben elektrophysiologischen Methoden bieten sich für das weitere Vorgehen besonders immunhistologische Methoden an. Außerdem sollten die Mechanismen erforscht werden durch die es nach der Immunisierung zur Apoptose von retinalen Ganglienzellen kommt und welche Antikörper dazuführen können. Des Weiteren ist von Interesse, ob und wie eine zelluläre Komponente an der Pathogenese des Experimentellen Autoimmun Glaukoms beteiligt ist.

Analyse immunologischer und proteomischer Aspekte im Rahmen der Glaukompathogenese

Das Glaukom stellt eine heterogene Gruppe von okularen Erkrankungen dar, deren Pathogenese sich durch einen langsamen, progradienten Untergang von retinalen Ganglienzellen und ihren Axonen auszeichnet. rnIn den letzten Jahren wurde im Kontext der Glaukompathogenese verstärkt die Beteiligung autoreaktiver Antikörper diskutiert. Ein Schwerpunkt dieser Arbeit bestand in dem Vergleich solcher Autoantikörper-Reaktionen in den Serum- und Kammerwasserproben einzelner Glaukompatienten. Hierdurch sollte geklärt werden, inwieweit die Immunreaktivitäten dieser beiden Körperflüssigkeiten miteinander übereinstimmen und ob sich Hinweise auf eine lokale Antikörperproduktion im immunprivilegierten Auge finden lassen. Mittels eines etablierten Protein-Microarray-Verfahrens wurden die Immunreaktionen gegen 40 verschiedene Antigene, wie z.B. Hitzeschock-Proteine oder neuronale Strukturproteine, untersucht. Die Ergebnisse zeigten, dass die detektierten Autoantikörper-Reaktionen gegen mehr als 80% der untersuchten Antigene in beiden Körperflüssigkeiten miteinander übereinstimmen. Verdeutlicht wird hierdurch, dass die Antikörper-basierenden immunologischen Vorgänge im Auge bzw. Kammerwasser, trotz dessen Abschottung vom Blutkreislauf durch die Blut-Retina-Schranke, denen des Serums stark ähneln. Nur vereinzelt lassen sich Hinweise auf eine lokale Antikörperproduktion im Auge finden, wodurch die Bedeutung der detektierten Serumantikörper-Reaktionen für die Glaukomerkrankung belegt wird. rnEin weiterer Schwerpunkt der Arbeit lag auf der Detektion möglicher veränderter Proteinexpressionen in den Retinae und Serumproben von Glaukompatienten, die potentiell zu den neurodegenerativen Prozessen der Glaukompathogenese beitragen. Um die Analyse spezifischer Proteinexpressionen zu ermöglichen, wurde das Verfahren des Antikörper-Microarrays etabliert und auf die Fragestellung angewendet. Untersucht wurden hierbei vor allem die Abundanzen von Komplementproteinen, Zytokinen und Hitzeschock-Proteinen, aber auch die von verschiedenen neuronalen Strukturproteinen. Als Probenmaterial dienten Serum- und Retinaproben von Glaukompatienten, die vergleichend denen von gesunden Probanden gegenübergestellt wurden. Die Analyse erbrachte die Erkenntnis, dass neben der verstärkten Expression von Komplementproteinen in der Retina (z.B. C3, C6) auch im Serum der Glaukompatienten eine erhöhte Konzentration dieser Proteine vorliegt, die im Rahmen der Glaukomerkrankung möglicherweise ebenfalls eine Rolle spielen. Ähnliches konnte für verschiedene Zytokine, wie z.B. TNF-α, IFN-γ oder IL1-β beobachtet werden, die in den untersuchten Retinae von Glaukomprobanden, teilweise auch in den Serumproben der Patienten, in verstärktem Maße detektiert werden konnten. Die erhöhte Produktion von Zytokinen in der Retina ist wahrscheinlich auf die Aktivierung von Gliazellen zurückzuführen, ein Ereignis für das in dieser Arbeit zahlreiche Hinweise gefunden werden konnten. Die Gliaaktivierung wird vermutlich durch apoptotische Prozesse in der Retina ausgelöst, eventuell aber auch durch eine erfolgte Komplementaktivierung. Darüber hinaus konnten mittels eines massenspektrometrischen Verfahrens weitere Expressionsunterschiede verschiedener retinaler Proteine bei Glaukompatienten festgestellt werden. Diese Veränderungen, wie z.B. geminderte Mengen von ROS-eliminierenden Proteinen, wie der Superoxid Dismutase und Peroxiredoxin-2, begünstigen bzw. verstärken sehr wahrscheinlich die neurodegenerativen Prozesse in der Retina von GlaukompatientenrnInwieweit die untersuchten Faktoren kausativ an den neurodegenerativen Prozessen beteiligt sind, bleibt ungeklärt, jedoch untermauert deren Vielzahl die Notwendigkeit, die Ursache der Glaukomerkrankung als komplexe Interaktion und Wechselwirkung verschiedener Komponenten zu betrachten und nicht als einen einzelnen fehlgesteuerten Mechanismus.rn

Identifizierung und Charakterisierung von Protein-Biomarkern beim Glaukom

Das Glaukom ist, nach dem Katarakt, die zweithäufigste Ursache für Erblindungen weltweit mit Milionen von Betroffenen, die von dieser zunächst weitgehend symptomfreien neurodegenerativen Erkrankung heimgesucht werden. Die Möglichkeiten auf dem Feld der Diagnose beschränken sich bislang weitestgehend auf die Messung des Augeninnendrucks und der Beurteilung des Augenhintergrundes durch einen erfahrenen Augenarzt. Eine labordiagnostische Prophylaxe ist bis heute nicht verfügbar, die Zahl unerkannter Erkrankungen dementsprechend hoch. Hierdurch geht wertvolle Zeit verloren, die man für eine effektive Therapie nutzen könnte.rnBezüglich der Pathogenese des Glaukoms geht man heute von mehreren, miteinander wechselwirkenden Pathomechanismen aus, zu denen neben mechanischen Einflüssen durch einen erhöhten IOD auch Hypoxie, verminderte Neutrophinversorgung, Exzitotoxizität, oxidativer Stress und eine Beteiligung autoimmuner Prozesse gezählt werden. Unabhängig vom Pathomechanismus folgt stets die Etablierung umfangreicher degenerativer Prozesse im Sehnervenkopf, den retinalen Ganglienzellen und den Axonen des Sehnerven, die letztlich im irreversiblen Untergang dieser Neuronen münden. Diese pathologischen Prozesse im ZNS hinterlassen auf Proteomebene Spuren, die mithilfe moderner massenspektrometrischer Methoden in Kombination mit multivariaten statistischen Methoden detektierbar und als sogenannte Biomarker-Kandidaten mit definiertem Molekulargewicht darstellbar sind. In dieser Arbeit wurde ein „Workflow“ entwickelt, der es ermöglicht, diese Biomarker-Kandidaten im Blutserum und in der Tränenflüssigkeit in einfachen, reproduzierbaren Schritten zu identifizieren und zu charakterisieren. Abweichend von der etablierten Methotik der Bottom-Up-Proteomics musste hierfür eine Methode entsprechend einer Top-Down-Philosophie entwickelt werden, die es erlaubt, die Spuren des Glaukoms im Proteom zu detektieren und zu charakterisieren.rnDies erfolgte in dieser Arbeit durch sowohl massenspektroskopischen Methoden wie SELDI-TOF® und MALDI-Tof-Tof als auch durch Bead-, Gel- und Flüssigkeits-chromatographisch-basierte Separations und Fraktionierungstechniken.rnDie erfolgreiche Kombination dieser Methoden führte zu Identifikationen einer ganzen Reihe von Biomarker-Kandidaten. Unter den identifizierten Proteinen, die bezüglich ihres korrespondierenden SELDI-Peaks im Massenbereich von Biomarker-Kandidaten liegen, finden sich Zytokine und Effektormoleküle der angeborernen Immunität, stressinduzierbare Kinasen, Faktoren, die zum Schutz der Telomeren dienen, Proliferationsmarker, neuronale Antigene und Transportproteine. Darüber hinaus wurden Komponenten identifiziert, die an der neuronalen Neutrophinversorgung beteiligt sind, neuronale Rezeptoren und Antigene, Komponenten des Komplementsystems und des MHC-I-Komplexes. All diese identifizierten Proteine sind bezüglich ihrer Funktion und möglichen Rolle innerhalb der Pathogenese des Glaukoms detailliert beschrieben und charakterisiert. Dies erlaubt einen umfassenden Einblick in alle Pathomechanismen, denen nach heutigem Kenntnisstand, eine Rolle an der Pathogenese des Glaukoms unterstellt wird.rn

High-sensitivity rod photoreceptor input to the blue-yellow color opponent pathway in macaque retina.

Small bistratified cells (SBCs) in the primate retina carry a major blue-yellow opponent signal to the brain. We found that SBCs also carry signals from rod photoreceptors, with the same sign as S cone input. SBCs exhibited robust responses under low scotopic conditions. Physiological and anatomical experiments indicated that this rod input arose from the AII amacrine cell-mediated rod pathway. Rod and cone signals were both present in SBCs at mesopic light levels. These findings have three implications. First, more retinal circuits may multiplex rod and cone signals than were previously thought to, efficiently exploiting the limited number of optic nerve fibers. Second, signals from AII amacrine cells may diverge to most or all of the approximately 20 retinal ganglion cell types in the peripheral primate retina. Third, rod input to SBCs may be the substrate for behavioral biases toward perception of blue at mesopic light levels.