Novel relationship between Vegf expression and retinal pigmented epithelium permeability following light damage in the mouse retina

Purpose:In the retina, the balance between pro- and anti-angiogenic factors is critical for angiogenesis control but is also involved in cell survival and maintenance. For instance, the anti-angiogenic factor PEDF is neuroprotective for photoreceptors (PRs) in models of retinal degeneration. We previously reported upregulation of VEGF (24h to 48h post lesion) in the light-damage (LD) model. Furthermore, systemic delivery of PEDF, as well as lentiviral gene transfer of an anti-VEGF antibody rescue PRs from cell death. Studies in vitro show that VEGF induces retinal endothelial cells apoptosis via the alteration of the Akt1/p38 MAPK signalling pathway under hypoxic conditions. Thus, in this study, we investigate the effect of high levels of VEGF on retinal pigmented epithelium (RPE) permeability and molecular targets expression after light-induced PR degeneration. Methods:To characterize the action of VEGF in the retina during the course of LD, we exposed adult Balb/c mice to 5'000 lux for 1h, and we collected neural retinas and eye-cups (containing RPE) at different time points after the LD. We analysed protein expression by Elisa and Western blotting. In order to study RPE cell permeability after the LD we stained β-catenin on flat mounted RPE. Results:In the neural retina, preliminary results indicate that high levels of VEGF induce a significant upregulation of VEGF receptor 2, whereas VEGF receptor 1 expression is decreased. Concomitantly with VEGF upregulation, LD increases the Src phosphorylation between 24h to 48h. Furthermore, we observe that β-catenin translocates to the cytoplasm of RPE cells between 24h to 36h after the lesion, indicating an increase on the RPE permeability, which could contribute indirectly to the deleterious effect of VEGF observed during light-induced PR apoptosis. Conclusions:This study further involves VEGF in LD and highlights the prime importance of angiogenic factor balance for PR survival. Our results suggest that PR apoptosis is augmented by RPE cell permeability, which may induce high level of VEGF and could be deleterious. The specific action of RPE permeability on PR survival and the role of Src in the retina are under investigation.

Deleterious Actions Of Vegf On The Blood Retinal Barrier And Photoreceptor Survival In The Light-damage Model

Purpose: The retinal balance between pro- and anti-angiogenic factors is critical for angiogenesis control, but is also involved in cell survival. We previously reported upregulation of VEGF and photoreceptor (PR) cell death in the Light-damage (LD) model. Preliminary results showed that anti-VEGF can rescue PR from cell death. Thus, we investigated the role of VEGF on the retina and we herein described the effect of anti-VEGF antibody delivered by lentiviral gene transfer in this model.Methods: To characterize the action of VEGF during the LD, we exposed Balb/c mice subretinally injected with LV-anti-VEGF, or not, to 5'000 lux for 1h. We next evaluated the retinal function, PR survival and protein expression (VEGF, VEGFR1/2, Src, PEDF, p38MAPK, Akt, Peripherin, SWL-opsin) after LD. We analyzed Blood retinal barrier (BRB) integrity on flat-mounted RPE and cryosections stained with β-catenin, ZO-1, N-cadherin and albumin.Results: Results indicate that the VEGF pathway is modulated after LD. LD leads to extravascular albumin leakage and BRB breakdown: β-catenin, ZO-1 and N-cadherin translocate to the cytoplasm of RPE cells showing loss of cell cohesion. This phenomenon is in adequacy with the VEGF time-course expression. Assessment of the retinal function reveals that PR rescue correlates with the level of LV-anti-VEGF expression. Rhodopsin content was higher in the LV-anti-VEGF group than in controls and measures of the ONL thickness indicate that LV-anti-VEGF preserves by 82% the outer nuclear layer from degeneration. Outer segments (OS) appeared well organized with an appropriate length in the LV-anti-VEGF group compared to controls, and the expression of SWL-opsin is maintained in the OS without being mislocalized as in the LV-GFP group. Finally, LV-anti-VEGF treatment prevents BRB breakdown and maintained RPE cell integrity.Conclusions: This study involves VEGF in LD and highlights the prime importance of the BRB integrity for PR survival. Taken together, these results show that anti-VEGF is neuroprotective in this model and maintains functional PR layer in LD-treated mice.

Inhibition of the visual cycle in vivo by 13-cis retinoic acid protects from light damage and provides a mechanism for night blindness in isotretinoin therapy

Isotretinoin (13-cis retinoic acid) is frequently prescribed for severe acne [Peck, G. L., Olsen, T. G., Yoder, F. W., Strauss, J. S., Downing, D. T., Pandya, M., Butkus, D. & Arnaud-Battandier, J. (1979) N. Engl. J. Med. 300, 329–333] but can impair night vision [Fraunfelder, F. T., LaBraico, J. M. & Meyer, S. M. (1985) Am. J. Ophthalmol. 100, 534–537] shortly after the beginning of therapy [Shulman, S. R. (1989) Am. J. Public Health 79, 1565–1568]. As rod photoreceptors are responsible for night vision, we administered isotretinoin to rats to learn whether night blindness resulted from rod cell death or from rod functional impairment. High-dose isotretinoin was given daily for 2 months and produced systemic toxicity, but this caused no histological loss of rod photoreceptors, and rod-driven electroretinogram amplitudes were normal after prolonged dark adaptation. Additional studies showed, however, that even a single dose of isotretinoin slowed the recovery of rod signaling after exposure to an intense bleaching light, and that rhodopsin regeneration was markedly slowed. When only a single dose was given, rod function recovered to normal within several days. Rods and cones both showed slow recovery from bleach after isotretinoin in rats and in mice. HPLC analysis of ocular retinoids after isotretinoin and an intense bleach showed decreased levels of rhodopsin chromophore, 11-cis retinal, and the accumulation of the biosynthetic intermediates, 11-cis and all-trans retinyl esters. Isotretinoin was also found to protect rat photoreceptors from light-induced damage, suggesting that strategies of altering retinoid cycling may have therapeutic implications for some forms of retinal and macular degeneration.

VEGF is a mediator of retinal pigment epithelium permeability leading to photoreceptor cell death in light-induced retinal degeneration : gene therapy strategy to prevent AMD-disorders

ABSTRACTIn normal tissues, a balance between pro- and anti-angiogenic factors tightly controls angiogenesis. Alterations of this balance may have pathological consequences. For instance, concerning the retina, the vascular endothelial growth factor (VEGF) is a potent pro-angiogenic factor, and has been identified has a key player during ocular neovascularization implicated in a variety of retinal diseases. In the exudative form (wet-form) of age-related macular degeneration (AMD), neovascularizations occurring from the choroidal vessels are responsible for a quick and dramatic loss of visual acuity. In diabetic retinopathy and retinopathy of prematurity, sprouting from the retinal vessels leads to vision loss. Furthermore, the aging of the population, the increased- prevalence of diabetes and the better survival rate of premature infants will lead to an increasing rate of these conditions. In this way, anti-VEGF strategy represents an important therapeutic target to treat ocular neovascular disorders.In addition, the administration of Pigmented Epithelial growth factor, a neurotrophic and an anti- angiogenic factor, prevents photoreceptor cell death in a model of retinal degeneration induced by light. Previous results analyzing end point morphology reveal that the light damage (LD) model is used to mimic retinal degenerations arising from environmental insult, as well as aging and genetic disease such as advanced atrophic AMD. Moreover, light has been identified as a co-factor in a number of retinal diseases, speeding up the degeneration process. This protecting effect of PEDF in the LD retina raises the possibility of involvement of the balance between pro- and anti-angiogenic factors not only for angiogenesis, but also in cell survival and maintenance.The aim of the work presented here was to evaluate the importance of this balance in neurodegenerative processes. To this aim, a model of light-induced retinal degeneration was used and characterized, mainly focusing on factors simultaneously controlling neuron survival and angiogenesis, such as PEDF and VEGF.In most species, prolonged intense light exposure can lead to photoreceptor cell damage that can progress to cell death and vision loss. A protocol previously described to induce retinal degeneration in Balb/c mice was used. Retinas were characterized at different time points after light injury through several methods at the functional and molecular levels. Data obtained confirmed that toxic level of light induce PR cell death. Variations were observed in VEGF pathway players in both the neural retina and the eye-cup containing the retinal pigment epithelium (RPE), suggesting a flux of VEGF from the RPE towards the neuroretina. Concomitantly, the integrity of the outer blood-retinal-barrier (BRB) was altered, leading to extravascular albumin leakage from the choroid throughout the photoreceptor layer.To evaluate the importance of VEGF during light-induced retinal degeneration process, a lentiviral vector encoding the cDNA of a single chain antibody directed against all VEGF-A isoforms was developed (LV-V65). The bioactivity of this vector to block VEGF was validated in a mouse model of laser-induced choroidal neovascularization mediated by VEGF upregulation. The vector was then used in the LD model. The administration of the LV-V65 contributed to the maintenance of functional photoreceptors, which was assessed by ERG recording, visual acuity measurement and histological analyses. At the RPE level, the BRB integrity was preserved as shown by the absence of albumin leakage and the maintenance of RPE cell cohesion.These results taken together indicate that the VEGF is a mediator of light induced PR degeneration process and confirm the crucial role of the balance between pro- and anti-angiogenic factors in the PR cell survival. This work also highlights the prime importance of BRB integrity and functional coupling between RPE and PR cells to maintain the PR survival. VEGF dysregulation was already shown to be involved in wet AMD forms and our study suggests that VEGF dysregulation may also occur at early stages of AMD and could thus be a potential therapeutic target for several RPE related diseases.RESUMEDans les différents tissues de l'organisme, l'angiogenèse est strictement contrôlée par une balance entre les facteurs pro- et anti-angiogéniques. Des modifications survenant dans cette balance peuvent engendrer des conséquences pathologiques. Par exemple, concernant la rétine, le facteur de croissance de l'endothélium vasculaire (VEGF) est un facteur pro-angiogénique important. Ce facteur a été identifié comme un acteur majeur dans les néovascularisations oculaires et les processus pathologiques angiogéniques survenant dans l'oeil et responsables d'une grande variété de maladies rétiniennes. Dans la forme humide de la dégénérescence maculaire liée à l'âge (DMLA), la néovascularisation choroïdienne est responsable de la perte rapide et brutale de l'acuité visuelle chez les patients affectés. Dans la rétinopathie diabétique et celle lié à la prématurité, l'émergence de néovaisseaux rétiniens est la cause de la perte de la vision. Les néovascularisations oculaires représentent la principale cause de cécité dans les pays développés. De plus, l'âge croissant de la population, la progression de la prévalence du diabète et la meilleure survie des enfants prématurés mèneront sans doute à l'augmentation de ces pathologies dans les années futures. Dans ces conditions, les thérapies anti- angiogéniques visant à inhiber le VEGF représentent une importante cible thérapeutique pour le traitement de ces pathologies.Plusieurs facteurs anti-angiogéniques ont été identifiés. Parmi eux, le facteur de l'épithélium pigmentaire (PEDF) est à la fois un facteur neuro-trophique et anti-angiogénique, et l'administration de ce facteur au niveau de la rétine dans un modèle de dégénérescence rétinienne induite par la lumière protège les photorécepteurs de la mort cellulaire. Des études antérieures basées sur l'analyse morphologique ont révélé que les modifications survenant lors de la dégénération induite suite à l'exposition à des doses toxiques de lumière représente un remarquable modèle pour l'étude des dégénérations rétiniennes suite à des lésions environnementales, à l'âge ou encore aux maladies génétiques telle que la forme atrophique avancée de la DMLA. De plus, la lumière a été identifiée comme un co-facteur impliqué dans un grand nombre de maladies rétiniennes, accélérant le processus de dégénération. L'effet protecteur du PEDF dans les rétines lésées suite à l'exposition de des doses toxiques de lumière suscite la possibilité que la balance entre les facteurs pro- et anti-angiogéniques soit impliquée non seulement dans les processus angiogéniques, mais également dans le maintient et la survie des cellules.Le but de ce projet consiste donc à évaluer l'implication de cette balance lors des processus neurodégénératifs. Pour cela, un modèle de dégénération induite par la lumière à été utilisé et caractérisé, avec un intérêt particulier pour les facteurs comme le PEDF et le VEGF contrôlant simultanément la survie des neurones et l'angiogenèse.Dans la plupart des espèces, l'exposition prolongée à une lumière intense peut provoquer des dommages au niveau des cellules photoréceptrices de l'oeil, qui peut mener à leur mort, et par conséquent à la perte de la vision. Un protocole préalablement décrit a été utilisé pour induire la dégénération rétinienne dans les souris albinos Balb/c. Les rétines ont été analysées à différents moments après la lésion par différentes techniques, aussi bien au niveau moléculaire que fonctionnel. Les résultats obtenus ont confirmé que des doses toxiques de lumière induisent la mort des photorécepteurs, mais altèrent également la voie de signalisation du VEGF, aussi bien dans la neuro-rétine que dans le reste de l'oeil, contenant l'épithélium pigmentaire (EP), et suggérant un flux de VEGF provenant de ΙΈΡ en direction de la neuro-rétine. Simultanément, il se produit une altération de l'intégrité de la barrière hémato-rétinienne externe, menant à la fuite de protéine telle que l'albumine, provenant de la choroïde et retrouvée dans les compartiments extravasculaires de la rétine, telle que dans la couche des photorécepteurs.Pour déterminer l'importance et le rôle du VEGF, un vecteur lentiviral codant pour un anticorps neutralisant dirigée contre tous les isoformes du VEGF a été développé (LV-V65). La bio-activité de ce vecteur a été testé et validée dans un modèle de laser, connu pour induire des néovascularisations choroïdiennes chez la souris suite à l'augmentation du VEGF. Ce vecteur a ensuite été utilisé dans le modèle de dégénération induite par la lumière. Les résultats des électrorétinogrammes, les mesures de l'acuité visuelle et les analyses histologiques ont montré que l'injection du LV-V65 contribue à la maintenance de photorécepteurs fonctionnels. Au niveau de l'EP, l'absence d'albumine et la maintenance des jonctions cellulaires des cellules de l'EP ont démontré que l'intégrité de la barrière hémato-rétinienne externe est préservée suite au traitement.Par conséquent, tous les résultats obtenus indiquent que le VEGF est un médiateur important impliquée dans le processus de dégénération induit par la lumière et confirme le rôle cruciale de la balance entre les facteurs pro- et anti-angiogéniques dans la survie des photorécepteurs. Cette étude révèle également l'importance de l'intégrité de la barrière hémato-rétinienne et l'importance du lien fonctionnel et structurel entre l'EP et les photorécepteurs, essentiel pour la survie de ces derniers. Par ailleurs, Cette étude suggère que des dérèglements au niveau de l'équilibre du VEGF ne sont pas seulement impliqués dans la forme humide de la DMLA, comme déjà démontré dans des études antérieures, mais pourraient également contribuer et survenir dans des formes précoces de la DMLA, et par conséquent le VEGF représente une cible thérapeutique potentielle pour les maladies associées à des anomalies au niveau de l'EP.

Hyperactivation of retina by light in mice leads to photoreceptor cell death mediated by VEGF and retinal pigment epithelium permeability.

Light toxicity is suspected to enhance certain retinal degenerative processes such as age-related macular degeneration. Death of photoreceptors can be induced by their exposure to the visible light, and although cellular processes within photoreceptors have been characterized extensively, the role of the retinal pigment epithelium (RPE) in this model is less well understood. We demonstrate that exposition to intense light causes the immediate breakdown of the outer blood-retinal barrier (BRB). In a molecular level, we observed the slackening of adherens junctions tying up the RPE and massive leakage of albumin into the neural retina. Retinal pigment epithelial cells normally secrete vascular endothelial growth factor (VEGF) at their basolateral side; light damage in contrast leads to VEGF increase on the apical side - that is, in the neuroretina. Blocking VEGF, by means of lentiviral gene transfer to express an anti-VEGF antibody in RPE cells, inhibits outer BRB breakdown and retinal degeneration, as illustrated by functional, behavioral and morphometric analysis. Our data show that exposure to high levels of visible light induces hyperpermeability of the RPE, likely involving VEGF signaling. The resulting retinal edema contributes to irreversible damage to photoreceptors. These data suggest that anti-VEGF compounds are of therapeutic interest when the outer BRB is altered by retinal stresses.

Transcorneal Electrical Stimulation Shows Neuroprotective Effects in Retinas of Light-Exposed Rats

PURPOSE. To examine the effects of transcorneal electrical stimulation (TES) on retinal degeneration of light-exposed rats. METHODS. Thirty-three Sprague Dawley albino rats were divided into three groups: STIM (n = 15) received 60 minutes of TES, whereas SHAM (n = 15) received identical sham stimulation 2 hours before exposure to bright light with 16,000 lux; healthy animals (n = 3) served as controls for histology. At baseline and weekly for 3 consecutive weeks, dark-and light-adapted electroretinography was used to assess retinal function. Analysis of the response versus luminance function retrieved the parameters Vmax (saturation amplitude) and k (luminance to reach 1/2Vmax). Retinal morphology was assessed by histology (hematoxylin-eosin [HE] staining; TUNEL assay) and immunohistochemistry (rhodopsin staining). RESULTS. Vmax was higher in the STIM group compared with SHAM 1 week after light damage (mean intra-individual difference between groups 116.06 mu V; P = 0.046). The b-wave implicit time for the rod response (0.01 cd.s/m(2)) was lower in the STIM group compared with the SHAM group 2 weeks after light damage (mean intra-individual difference between groups 5.78 ms; P = 0.023); no other significant differences were found. Histological analyses showed photoreceptor cell death (TUNEL and HE) in SHAM, most pronounced in the superior hemiretina. STIM showed complete outer nuclear layer thickness preservation, reduced photoreceptor cell death, and preserved outer segment length compared with SHAM (HE and rhodopsin). CONCLUSIONS. This sham-controlled study shows that TES can protect retinal cells against mild light-induced degeneration in Sprague Dawley rats. These findings could help to establish TES as a treatment in human forms of retinal degenerative disease. (Invest Ophthalmol Vis Sci. 2012;53:5552-5561) DOI: 10.1167/iovs.12-10037

The role of Bmi1 in CNS development and in retinal degeneration

SUMMARY : The present work addresses several aspects of cell cycle regulation, cell fate specification and cell death in the central nervous system (CNS), specifically the cortex and the retina. More precisely, we investigated the role of Bmi1, a polycomb family gene required for stem cell proliferation and self-renewal, in the development of the cerebral cortex, as well as in the genesis of the retina. These data, together with studies published during the last two decades concerning cell cycle re-activation in apoptotic neurons in the CNS, raised the question of a possible link between regulation of the cell cycle during development and during retinal degeneration. 1. The effects of Bmi1 loss in the cerebral cortex : Consistently with our and others' observations on failure of Bmi9-/- stem cells to proliferate and self-renew in vitro, the Bmi9-/- cerebral cortex presented slight defects in proliferation in stem/progenitor cells compartments in vivo. This was in accordance with the pattern of Bmi1 expression in the developing forebrain. The modest proliferation defects, compared to the drastic consequences of Bmi9 loss in vitro, suggest that cell-extrinsic mechanisms may partially compensate for Bmi1 deletion in vivo during cortical histogenesis. Nevertheless, we observed a decreased proliferating activity in neurogenic regions of the adult telencephalon, more precisely in the subventricular zone, showing that Bmi1 controls neural stem/progenitor proliferation during adulthood in vivo. Our data also highlight an increased production of astrocytes at birth, and a generalized gliosis in the adult Bmi9-/- brain. Importantly, glial progenitors and astrocytes retained the ability to proliferate in the absence of Bmi1. 2. The effects of Bmi1 loss in the retina : The pattern of expression of Bmi1 during development and in the adult retina suggests a role for Bmi1 in cell fate specification and differentiation rather than in proliferation. While the layering and the global structure of the retina appear normal in Bmi1 /adult mice, immunohistochemìcal analysis revealed defects in the three major classes of retinal interneurons, namely: horizontal, bipolar and amacrine cells. Electroretinogram recordings in Bmi9-/- mice are coherent with the defects observed at the histological level, with a reduced b-wave and low-profile oscillatory potentials. These results show that Bmi1 controls not only proliferation, but also cell type generation, as previously observed in the cerebellum. 3. Cell cycle events and related neuroprotective strategies in retinal degeneration : In several neurodegenerative disorders, neurons re-express cell cycle proteins such as cyclin dependent kinases (Cdks) prior to apoptosis. Here, we show for the first time that this is also the case during retinal degeneration. Rd1 mice carry a recessive defect (Pdeóbrd/rd) that causes retinal degeneration and serves as a model of retinitis pigmentosa. We found that photoreceptors express Cdk4 and Cdk2, and undergo DNA synthesis prior to cell death. To interfere with the reactivation of Cdk-related pathways, we deleted E2fs or Brni1, which normally allow cell cycle progression. While deleting E2f1 (downstream of Cdk4/6) in Rd1 mice provides only temporary protection, knocking out Bmi1 (upstream of Cdks) leads to an extensive neuroprotective effect, independent of p16ink4a or p19arf, two tumor suppressors regulated by Bmi1. Analysis of Cdks and the DNA repair-related protein Ligase IV showed that Bmi1 acts downstream of DNA repair events and upstream of Cdks in this neurodegenerative mechanism. Expression of Cdks during an acute model of retinal degeneration, light damage-induced photoreceptor death, points to a role for Bmi1 and cell cycle proteins in retinal degeneration. Considering the similarity with the cell cycle-related apoptotic pathway observed in other neurodegenerative diseases, Bmi1 is a possible general target to prevent or delay neuronal death. RESUME : Ce travail aborde plusieurs aspects de la régulation du cycle cellulaire, de la spécification du devenir des cellules et de la mort cellulaire dans le système nerveux centrale (SNC), plus particulièrement dans le cortex cérébral et dans la rétine. Nous nous sommes intéressés au gène Bmi1, appartenant à la famille polycomb et nécessaire à la prolifération et au renouvellement des cellules souches. Nous avons visé à disséquer son rôle dans le développement du cortex et de la rétine. Ces données, ainsi qu'une série de travaux publiés au cours des deux dernières décennies concernant la réactivation du cycle cellulaire dans les neurones en voie d'apoptose dans le SNC, nous ont ensuite poussé à chercher un lien entre la régulation du cycle cellulaire pendant le développement et au cours de la dégénérescence rétinienne. 1. Les effets de l'inactivation de Bmi1 dans le cortex cérébral : En accord avec l'incapacité des cellules souches neurales in vitro à proliférer et à se renouveler en absence de Bmi1, le cortex cérébral des souris Bmi1-/- présente de légers défauts de prolifération dans les compartiments contenant les cellules souches neurales. Ceci est en accord avec le profil d'expression de Bmi1 dans le télencéphale. Les conséquences de la délétion de Bmi1 sont toutefois nettement moins prononcées in vivo qu'in vitro ; cette différence suggère l'existence de mécanismes pouvant partiellement compenser l'absence de Bmi1 pendant la corticogenèse. Néanmoins, l'observation d'une réduction de la prolifération dans la zone sous-ventriculaire, la zone majeure de neurogenèse dans le télencéphale adulte, montre que Bmi1 contrôle la prolifération des cellules souche/progénitrices neurales chez la souris adulte. Nos résultats démontrent par ailleurs une augmentation de la production d'astrocytes à la naissance ainsi qu'une gliose généralisée à l'état adulte chez les souris Bmi1-/-. Les progéniteurs gliaux et les astrocytes conservent donc leur capacité à proliférer en absence de Bmi1. 2. Les effets de l'inactivation de Bmi1 dans la rétine : Le profil d'expression de Bmi1 pendant fe développement ainsi que dans la rétine adulte suggère un rôle de Bmi1 dans la spécification de certains types cellulaires et dans la différentiation plutôt que dans la prolifération. Alors que la structure et la lamination de la rétine semblent normales chez les souris Bmi1-/-, l'analyse par immunohistochimie amis en évidence des défauts au niveau des trois classes d'interneurones rétiniens (les cellules horizontales, bipolaires et amacrines). Les électrorétinogrammes des souris Bmi1-/- sont cohérents avec les défauts observés au niveau histologique et montrent une réduction de l'onde « b » et des potentiels oscillatoires. Ces résultats montrent que Bmi1 contrôle la génération de certaines sous-populations de neurones, comme démontré auparavant au niveau de cervelet. 3. Réactivation du cycle cellulaire et stratégies théraoeutiaues dans les dégénérescences rétiniennes : Dans plusieurs maladies neurodégénératives, les neurones ré-expriment des protéines du cycle cellulaire telles que les kinases cycline-dépendantes (Cdk) avant d'entrer en apoptose. Nous avons démontré que c'est aussi le cas dans les dégénérescences rétiniennes. Les souris Rd1 portent une mutation récessive (Pde6brd/rd) qui induit une dégénérescence de la rétine et sont utilisées comme modèle animal de rétinite pigmentaire. Nous avons observé que les photorécepteurs expriment Cdk4 et Cdk2, et entament une synthèse d'ADN avant de mourir par apoptose. Pour interférer avec la réactivation les mécanismes Cdk-dépendants, nous avons inactivé les gènes E2f et Bmi1, qui permettent normalement la progression du cycle cellulaire. Nous avons mis en évidence que la délétion de E2f1 (en aval de Cdk4/6) dans les souris Rd1 permet une protection transitoire des photorécepteurs. Toutefois, l'inactivation de Bmi1 (en amont des Cdk) est corrélée à une neuroprotection bien plus durable et ceci indépendamment de p16ink4a et p19arf, deux suppresseurs de tumeurs normalement régulés par Bmi1. L'analyse des Cdk et de la ligase IV (une protéine impliquée dans les mécanismes de réparation de l'ADN) a montré que Bmi1 agit en aval des événements de réparation de l'ADN et en amont des Cdk dans la cascade apoptotique dans les photorécepteurs des souris Rd1. Nous avons également observé la présence de Cdk dans un modèle aigu de dégénérescence rétinienne induit par une exposition des animaux à des niveaux toxiques de lumière. Nos résultats suggèrent donc un rôle général de Bmi1 et des protéines du cycle cellulaire dans les dégénérescences de la rétine. Si l'on considère la similarité avec les événements de réactivation du cycle cellulaire observés dans d'autres maladies neurodégénératives, Bmi1 pourrait être une cible thérapeutique générale pour prévenir la mort neuronale.

Retinal degeneration progression changes lentiviral vector cell targeting in the retina.

In normal mice, the lentiviral vector (LV) is very efficient to target the RPE cells, but transduces retinal neurons well only during development. In the present study, the tropism of LV has been investigated in the degenerating retina of mice, knowing that the retina structure changes during degeneration. We postulated that the viral transduction would be increased by the alteration of the outer limiting membrane (OLM). Two different LV pseudotypes were tested using the VSVG and the Mokola envelopes, as well as two animal models of retinal degeneration: light-damaged Balb-C and Rhodopsin knockout (Rho-/-) mice. After light damage, the OLM is altered and no significant increase of the number of transduced photoreceptors can be obtained with a LV-VSVG-Rhop-GFP vector. In the Rho-/- mice, an alteration of the OLM was also observed, but the possibility of transducing photoreceptors was decreased, probably by ongoing gliosis. The use of a ubiquitous promoter allows better photoreceptor transduction, suggesting that photoreceptor-specific promoter activity changes during late stages of photoreceptor degeneration. However, the number of targeted photoreceptors remains low. In contrast, LV pseudotyped with the Mokola envelope allows a wide dispersion of the vector into the retina (corresponding to the injection bleb) with preferential targeting of Müller cells, a situation which does not occur in the wild-type retina. Mokola-pseudotyped lentiviral vectors may serve to engineer these glial cells to deliver secreted therapeutic factors to a diseased area of the retina.

Retinal degeneration progression changes lentiviral vector cell targeting in the retina

Ce travail de thèse a été réalisé au sein de l'Unité de Thérapie Génique et Biologie des Cellules Souches de l'Hôpital Jules- Gonin dans le Service d'Ophtalmologie de l'Université de Lausanne. Ce laboratoire recherche des solutions thérapeutiques pour des maladies dégénératives et incurables de la rétine comme les rétinites pigmentaires (RP). Ayant déjà montré certains résultats dans le domaine, la thérapie génique a été notre outil pour ce travail. Cette méthode se base sur le principe de remplacer un gène déficient par sa copie normale, en transportant celle-ci au coeur même du noyau par un vecteur. Il existe à l'heure actuelle différents vecteurs. Un des plus efficaces est un vecteur viral non-réplicatif : le lentivirus, dérivé de HIV-1. Celui-ci a la capacité d'intégrer le génome de la cellule cible, lui conférant ainsi un nouveau matériel génétique. Notre but a été d'établir le tropisme du lentivirus dans une rétine en dégénérescence. Ce lentivirus est connu pour transduire efficacement les cellules de l'épithélium pigmentaire rétinien dans l'oeil adulte sain, ainsi que celles de la neurorétine, mais ce, uniquement durant le développement. On sait aussi que le vecteur lentiviral présente un tropisme différent selon les enveloppes dont il est muni ; par exemple, le lentivirus avec une enveloppe Mokola est connu pour transduire les cellules gliales du système nerveux central. La rétine qui dégénère montre quant à elle des changements de sa structure qui pourraient influencer la diffusion du vecteur et/ou son tropisme. Le postulat de base a été le suivant : chez l'adulte, la transduction des neurones de la rétine via le lentivirus pourrait être facilitée par l'altération de la membrane limitante externe induite par la dégénérescence (meilleure pénétrance du virus). D'un point de vue technique, nous avons utilisé deux types distincts de modèles murins de dégénérescence rétinienne : des souris Balb/C soumises à une dose toxique de lumière et les souris Rhodopsin knockout, animaux génétiquement modifiés. Comme vecteur viral, nous avons employé deux différents pseudotypes de lentivirus (caractérisés par les enveloppes virales) avec différents promoteurs (séquence d'ADN qui initie la transduction et confère la spécificité d'expression d'un gène). En changeant l'enveloppe et le promoteur, nous avons essayé de trouver la meilleure combinaison pour augmenter l'affinité du vecteur vis-à-vis des photorécepteurs d'abord, puis vis-à-vis d'autres cellules de la rétine. Nos résultats ont montré que la membrane limitante externe est effectivement altérée chez les deux modèles de dégénérescence, mais que cette modification ne favorise pas la transduction des photorécepteurs lorsqu'on utilise un vecteur lentiviral contenant une enveloppe VSVG et un promoteur photorécepteur-spécifique ou ubiquitaire. En effet, une forte réaction gliale a été observée. Par contre, en utilisant le lentivirus avec une enveloppe Mokola et un promoteur ubiquitaire, nous avons constaté une très bonne transduction au niveau des cellules de Millier dans la rétine en dégénérescence, phénomène non observé chez les souris sauvages. Ce travail a donc permis de trouver un vecteur viral efficace pour atteindre et transduire les cellules de Miiller, ceci seulement pendant la dégénérescence de la rétine. Ces cellules, une fois transduites, pourraient être utilisées pour sécréter dans la rétine des agents thérapeutiques tels que des facteurs neurotrophiques pour soutenir la survie des photorécepteurs ou des facteurs anti-angiogéniques pour prévenir la néo-vascularisation lors de diabète ou de dégénérescence maculaire liée à l'âge. - In normal mice, the lentiviral vector (LV) is very efficient to target the RPE cells, but transduces retinal neurons well only during development. In the present study, the tropism of LV has been investigated in the degenerating retina of mice, knowing that the retina structure changes during degeneration. We postulated that the viral transduction would be increased by the alteration of the iuter limiting membrane (OLM). Two different LV pseudotypes were tested using the VSVG arid the Mokola envelopes, as well as two animal models of retinal degeneration: light-damaged Balb-C and Rhodopsin knockout (Rho-/-) mice. After light damage, the OLM is altered and no significant increase of the number of transduced photoreceptors can be obtained with a LV-VSVG-Rhop-GFP vector. In the Rho-/- mice, an altération of the OLM was also observed, but the possibility of transducing photoreceptors was decreased, probably by ongoing gliosis. The use of a ubiquitous promoter allows better photoreceptor transduction, suggesting that photoreceptór-specific promoter activity change during late stages of photoreceptor degeneration. However, the number of targeted photoreceptors remains low. In contrast, LV pseudotyped with the tfokola envelope allows a wide dispersion of the ctor into the retina (corresponding to the injection bleb) with preferential targeting of Muller cells, a situation Mc\ does ot occur in the wild- type retina. Mokola-pseudotyped lentiviral vectors may serve to engineer these glial cells to deliver secreted therapeutic factors to a diseased area of the retina.

Cell Cycle Proteins and Retinal Degeneration: Evidences of New Potential Therapeutic Targets.

During different forms of neurodegenerative diseases, including the retinal degeneration, several cell cycle proteins are expressed in the dying neurons from Drosophila to human revealing that these proteins are a hallmark of neuronal degeneration. This is true for animal models of Alzheimer's, and Parkinson's diseases, Amyotrophic Lateral Sclerosis and for Retinitis Pigmentosa as well as for acute injuries such as stroke and light damage. Longitudinal investigation and loss-of-function studies attest that cell cycle proteins participate to the process of cell death although with different impacts, depending on the disease. In the retina, inhibition of cell cycle protein action can result to massive protection. Nonetheless, the dissection of the molecular mechanisms of neuronal cell death is necessary to develop adapted therapeutic tools to efficiently protect photoreceptors as well as other neuron types.

Functional EF-hands in neuronal calcium sensor GCAP2 determine its phosphorylation state and subcellular distribution in vivo, and are essential for photoreceptor cell integrity

The neuronal calcium sensor proteins GCAPs (guanylate cyclase activating proteins) switch between Ca2+-free and Ca2+-bound conformational states and confer calcium sensitivity to guanylate cyclase at retinal photoreceptor cells. They play a fundamental role in light adaptation by coupling the rate of cGMP synthesis to the intracellular concentration of calcium. Mutations in GCAPs lead to blindness. The importance of functional EF-hands in GCAP1 for photoreceptor cell integrity has been well established. Mutations in GCAP1 that diminish its Ca2+ binding affinity lead to cell damage by causing unabated cGMP synthesis and accumulation of toxic levels of free cGMP and Ca2+. We here investigate the relevance of GCAP2 functional EF-hands for photoreceptor cell integrity. By characterizing transgenic mice expressing a mutant form of GCAP2 with all EF-hands inactivated (EF(-)GCAP2), we show that GCAP2 locked in its Ca2+-free conformation leads to a rapid retinal degeneration that is not due to unabated cGMP synthesis. We unveil that when locked in its Ca2+-free conformation in vivo, GCAP2 is phosphorylated at Ser201 and results in phospho-dependent binding to the chaperone 14-3-3 and retention at the inner segment and proximal cell compartments. Accumulation of phosphorylated EF(-)GCAP2 at the inner segment results in severe toxicity. We show that in wildtype mice under physiological conditions, 50% of GCAP2 is phosphorylated correlating with the 50% of the protein being retained at the inner segment. Raising mice under constant light exposure, however, drastically increases the retention of GCAP2 in its Ca2+-free form at the inner segment. This study identifies a new mechanism governing GCAP2 subcellular distribution in vivo, closely related to disease. It also identifies a pathway by which a sustained reduction in intracellular free Ca2+ could result in photoreceptor damage, relevant for light damage and for those genetic disorders resulting in 'equivalent-light'' scenarios.

A PZT-based technique for SHM using the coherence function

This paper presents a new approach for damage detection in structural health monitoring systems exploiting the coherence function between the signals from PZT (Lead Zirconate Titanate) transducers bonded to a host structure. The physical configuration of this new approach is similar to the configuration used in Lamb wave based methods, but the analysis and operation are different. A PZT excited by a signal with a wide frequency range acts as an actuator and others PZTs are used as sensors to receive the signal. The coherences between the signals from the PZT sensors are obtained and the standard deviation for each coherence function is computed. It is demonstrated through experimental results that the standard deviation of the coherence between the signals from the PZTs in healthy and damaged conditions is a very sensitive metric index to detect damage. Tests were carried out on an aluminum plate and the results show that the proposed methodology could be an excellent approach for structural health monitoring (SHM) applications.

Inorganic UV filters

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)