Previous studies from our lab have shown that Activating protein-2 (AP-2) transcription factors, AP-2α and AP-2β are important in retinal development, specifically in the developing horizontal and post-mitotic amacrine cells. Conditional deletion of AP-2α and AP-2β from the retina of mice resulted in a variety of abnormalities including loss of horizontal cells, defects in the photoreceptor ribbons in which synapses failed to form, along with evidence that amacrine cell mosaic patterning may be disrupted. The current thesis examined the neural retina of these AP-2α and AP-2β conditional mice in greater detail using immunofluorescence of histological sections and whole retinas, and electroretinograms to measure retinal function in post-natal adult mice. Examining regularity of the amacrine cell mosaics of these double mutants showed the loss of AP-2α and AP-2β led to significant irregularities in the mosaic patterning of these cells as determined by Voronoi domain areas (P<0.01) and nearest-neighbour distances (P<0.03). No significant changes in amacrine population numbers were observed. Observed cellular changes in the double conditional knock out mice were reflected as a change in the retinal response to light as recorded by electroretinograms. For example, the b-wave amplitude, representative of the interneuron signal processing, was significantly affected in those mice lacking AP-2⍺ and AP-2β (P<0.0001). Taken together, the work presented in this thesis implicates the requirement of AP-2⍺ and AP-2β for the correct amacrine mosaic patterning and for the proper functional light response in the retina. / Thesis / Master of Applied Science (MASc)

La acumulación de hierro (Fe) y el estrés oxidativo son eventos patognomónicos de las retinas de pacientes que padecen degeneración macular relacionada con la edad (AMD, del inglés age-related macular degeneration). En este trabajo de tesis hemos caracterizado un modelo de sobrecarga de Fe en retinas bovinas incubadas in vitro con la finalidad de estudiar los eventos que ocurren en la degeneración retiniana provocada por el estrés oxidativo. Específicamente, hemos estudiado la función de las siguientes isoformas de la fosfolipasa A2 (PLA2): la isoforma citosólica (cPLA2), la isoforma independiente de calcio (iPLA2) y la isoforma secretoria (sPLA2), durante la toxicidad retiniana inducida por Fe2+. También analizamos las implicancias de las diferentes PLA2s en la regulación de la ciclooxigenasa (COX)-2, el factor de transcripción nuclear kappa B (NF-κB, del inglés nuclear factor kappa B) y las proteínas quinasas activadas por mitógenos (MAKP, del inglés mitogen-activated protein kinase). En retinas enteras aisladas y expuestas a concentraciones crecientes de Fe2+ (25, 200 o 800 M) o a su vehículo, logramos determinar cuál es la incorporación efectiva de Fe por medio de técnicas analíticas e histoquímicas (espectrometría de emisión atómica por plasma de acoplamiento inductivo y tinción de Perls). El estrés oxidativo asociado a esta incorporación fue evaluado a través del estudio de diversos parámetros, tales como los niveles de peroxidación lipídica, la generación de dienos conjugados, la funcionalidad mitocondrial, la capacidad antioxidante de la retina, y la integridad de la membrana celular. La incorporación de Fe en las retinas fue dependiente de la concentración de Fe2+ utilizada en cada incubación. Esta acumulación de Fe produjo un incremento tiempo- y concentración-dependiente en los niveles de peroxidación lipídica de la retina. Por su parte, la viabilidad mitocondrial solo se vio afectada en menor grado luego de 60 minutos de exposición a la injuria oxidativa. Los niveles de dienos conjugados sufrieron un incremento tiempo-dependiente en tanto que la capacidad de captación de radicales libres solo se vio afectada a altas concentraciones de Fe2+. En concordancia con estos resultados, se observó que la pérdida de la integridad de la membrana celular evidencia un leve incremento en las retinas expuestas a todas las concentraciones de Fe2+ consideradas. Los niveles de peroxidación lipídica, la viabilidad celular y la pérdida de integridad de la membrana celular también fueron analizados en presencia de inhibidores específicos de las distintas isoformas de la PLA2, a saber araquidonoil trifluorometil cetona (ATK, del inglés arachidonoyl trifluoromethyl ketone –inhibidor de la cPLA2–), bromoenol lactona (BEL, del inglés bromoenol lactone –inhibidor de la iPLA2–) e YM 26734 (inhibidor de la sPLA2). La pre-incubación de las retinas con ATK provocó una disminución de los niveles de peroxidación lipídica y también una inhibición de la activación de las proteínas quinasas reguladas por señal extracelular (ERK1/2, del inglés extracellular signal-regulated kinase) a bajas y medianas concentraciones de Fe2+. Por su parte, el inhibidor BEL provocó un aumento en los niveles de peroxidación lipídica y retrasó la activación de las ERK1/2. En cuanto al inhibidor YM 26743, si bien este no demostró tener efecto alguno en la peroxidación lipídica, sí demostró tener la capacidad de retrasar la activación de las ERK1/2. También fue posible observar que ninguno de estos inhibidores afecta la viabilidad celular ni la permeabilidad de la membrana plasmática. Se detectó también una liberación diferencial de ácido araquidónico (AA, del inglés arachidonic acid) y de ácido palmítico (PAL, del inglés palmitic acid) catalizada por la cPLA2 y la iPLA2, respectivamente, en las fracciones microsomales y citosólicas obtenidas a partir de retinas incubadas con Fe2+. En el caso de la cPLA2, demostramos que, en respuesta a la incubación con Fe2+, la forma activa (la forma fosforilada en los residuos de Serina 505) se encuentra asociada principalmente a las fracciones citosólicas y que dicha asociación disminuye en las fracciones microsomales. Fue posible demostrar también que el perfil de liberación de AA producido por la actividad de la cPLA2 se encuentra regulado por acción de las ERK1/2 ya que la inhibición de estas quinasas por medio del inhibidor U0126 provocó la completa abolición de la liberación diferencial del AA. Por otra parte, observamos que la liberación de AA disminuye a la vez que la asociación de la proteína COX-2 aumenta en los microsomas de las retinas expuestas al Fe2+. Se observó también que la sPLA2 se localiza en la fracción citosólica de manera concentración-dependiente. Mediante ensayos de inmunoprecipitación fue posible observar que aumenta la asociación entre la sPLA2 y la proteína COX-2 en las retinas expuestas a la sobrecarga de Fe2+. Sin embargo, a pesar de la mayor asociación de esta proteína con la sPLA2, la generación de prostaglandinas se vio disminuida. Al estudiar los niveles de p65 (RelA) NF-κB encontramos que estos aumentan en las fracciones nucleares de las retinas expuestas a Fe2+. En presencia de los inhibidores ATK e YM 26734, observamos que la localización nuclear de ambas subunidades de NF-κB, p65 y p50, es restaurada a los niveles control en las retinas expuestas al estrés oxidativo inducido por Fe2+. 4 Resumen Los mecanismos de reparación de la membrana también fueron analizados mediante el estudio de la participación de las aciltransferasas en la remodelación fosfolipídica que ocurre durante el estrés oxidativo sufrido por la retina. Los fosfolípidos acídicos, tales como el fosfatidilinositol (PI) y la fosfatidilserina (PS), mostraron una inhibición en el perfil de acilación en las retinas expuestas a Fe2+ mientras que la fosfatidiletanolamina (PE) mostró resultados opuestos. El uso de inhibidores de la PLA2 demostró que la PS es activamente deacilada durante el estrés oxidativo inducido por Fe2+. Nuestros resultados demuestran que las distintas isoformas de la PLA2 participan en diferentes mecanismos regulatorios en este modelo experimental que mimetiza la DME del siguiente modo: i) la cPLA2 promueve el daño inducido por el estrés oxidativo dado que cumple una función en la señalización inflamatoria, liberando AA. ii) La iPLA2 tiene un rol protector debido a que interviene en la remodelación de las membranas mediante la remoción de los ácidos grasos peroxidados, lo cual atenúa los efectos nocivos del Fe2+ sobre las membranas celulares. iii) La sPLA2 Grupo V tiene múltiples blancos intracelulares relacionados con la respuesta inflamatoria porque participa en la regulación del factor NF-κB y de la proteína COX-2. Los hallazgos aquí presentados aportan nuevos conocimientos acerca de los mecanismos moleculares que operan en la degeneración retiniana inducida por el estrés oxidativo. / Iron (Fe) accumulation and oxidative stress are hallmarks of retinas in patients with age-related macular degeneration (AMD). In this thesis work we have characterized an in vitro model of iron-overloaded bovine retinas for the study of retinal degeneration during iron-induced oxidative stress. In particular, we have studied the role of the different phospholipase A2 (PLA2) isoforms, namely cytosolic isoform (cPLA2), calcium-independent isoform (iPLA2) and secretory isoform (sPLA2) during iron-induced retinal toxicity. Furthermore, we have analyzed the implications of PLA2s in the regulation of cyclooxigenase (COX)-2, nuclear factor kappa B (NF-κB) and MAPK pathways. In isolated retinas exposed to increasing Fe2+ concentrations (25, 200 or 800 M) or its vehicle, the effective iron incorporation into retinas was analyzed by means of analytical and histochemical techniques (inductively coupled plasma atomic emission spectroscopy and Perls´ staining). Oxidative stress associated to this incorporation was also analyzed taking into account several parameters, such as lipid peroxidation and conjugated diene levels, mitochondrial function, anti-oxidant ability and cell membrane integrity. Fe accumulation led to a time- and concentration-dependent increase in retinal lipid peroxidation levels whereas retinal cell viability was only affected after 60 minutes of oxidative injury. Conjugated diene levels underwent a time-dependent increase whereas radical scavenging ability was only affected at high Fe2+ concentrations. In agreement with these results, cell membrane integrity was slightly increased at all Fe2+ concentrations. Retinal lipid peroxidation, cell viability and cell membrane integrity were also analyzed in the presence of specific PLA2 isoform inhibitors, namely arachidonoyl trifluoromethyl ketone (ATK, cPLA2 inhibitor), bromoenol lactone (BEL, iPLA2 inhibitor) and YM 26734 (sPLA2 inhibitor). ATK was found to decrease lipid peroxidation levels as well as ERK1/2 activation. BEL showed the same effect on ERK1/2 activation but the opposite effect on lipid peroxidation. YM 26743 was observed to have no effect on lipid peroxidation although it demonstrated to have the ability to delay ERK1/2 activation. None of these inhibitors was found to affect either cell viability or cell membrane permeability. A differential release of arachidonic acid (AA) and palmitic acid (PAL), catalized by cPLA2 and iPLA2 activities, respectively, was also observed in microsomal and cytosolic fractions obtained from Fe2+-incubated retinas. In the case of cPLA2, we demonstrated that in response to Fe2+ incubation, the active form (the phosphorylated form) is associated mainly to the cytosolic fraction whereas this association is lower in the microsomal fraction. We also demonstrated that AA release profile caused by cPLA2 activity is regulated through ERK1/2 action as shown by the complete abolition of AA differential release through ERK 1/2 inhibition. It was also observed that AA release decreases whereas COX-2 association increases in microsomes of the retinas exposed to Fe2+. It could also be observed that sPLA2 is localized in the cytosolic fraction in a concentration-dependent manner. Via immunoprecipitation assays we demonstrated an increase in the association between sPLA2 and COX-2 in the retinas exposed to Fe2+ overload. Furthermore, in spite of the higher association of COX-2 with sPLA2, prostaglandins generation was found to decrease. The analysis of p65 (RelA) NF-κB levels showed that they increased in the nuclear fractions from the retinas exposed to Fe2+. In the presence of ATK and YM 26734, the nuclear localization of both p65 and p50 NF-κB subunits was found to be restored to control levels in the retinas exposed to Fe2+-induced oxidative stress. Membrane repair mechanisms were also analyzed by studying the participation of acyltransferases in phospholipid remodeling during retinal oxidative stress. Acidic phospholipids, such as phosphatidylinositol (PI) and phosphatidylserine (PS), were observed to show an inhibited acylation profile in the retinas exposed to Fe2+ whereas phosphatidylethanolamine (PE) showed exactly the opposite. The use of PLA2 inhibitors demonstrated that PS is actively deacylated during Fe2+-induced oxidative stress. Our results demonstrate that the PLA2 isoforms analyzed in this Ph. D. thesis participate in different regulatory mechanisms in our experimental model mimicking AMD. Such participation can be summarized as follows: i) cPLA2 promotes oxidative stress-induced damage by having a role in inflammatory signaling; ii) iPLA2 has a protective role by remodeling membranes to remove peroxidated fatty acids, thus attenuating the harmful effects of Fe2+ on cell membranes; iii) Group V sPLA2 has multiple intracellular targets related to the inflammatory response by its participation in the regulation of NF-κB and COX-2. The findings herein reported provide new knowledge about the molecular mechanisms operating in retinal degeneration induced by oxidative stress.

No / The purpose of the research was to examine the practical feasibility of developing a hyperspectral camera from a Zeiss fundus camera and to illustrate its use in imaging diabetic retinopathy and glaucoma patients. The original light source of the camera was replaced with an external lamp filtered by a fast tunable liquid-crystal filter. The filtered light was then brought into the camera through an optical fiber. The original film camera was replaced by a digital camera. Images were obtained in normals and patients (primary open angle glaucoma, diabetic retinopathy) recruited at the Manchester Royal Eye Hospital. A series of eight images were captured across 495- to 720-nm wavelengths, and recording time was less than 1.6s. The light level at the cornea was below the ANSI limits, and patients judged the measurement to be very comfortable. Images were of high quality and were used to generate a pixel-to-pixel oxygenation map of the optic nerve head. Frame alignment is necessary for frame-to-frame comparison but can be achieved through simple methods. We have developed a hyperspectral camera with high spatial and spectral resolution across the whole visible spectrum that can be adapted from a standard fundus camera. The hyperspectral technique allows wavelength-specific visualization of retinal lesions that may be subvisible using a white light source camera. This hyperspectral technique may facilitate localization of retinal and disc pathology and consequently facilitate the diagnosis and management of retinal disease.

Diese Arbeit befasst sich mit der Lichttransmission im retinalen Gewebe. Aufgrund der inversen Konfiguration der Wirbeltiernetzhaut muss das ins Auge eintretende Licht zahlreiche Zellschichten durchdringen, bevor es von den Photorezeptoren detektiert wird. Die Autorin geht davon aus, dass die morphologische Heterogenität dieser Zellschichten mit einer optischen Heterogenität einhergeht, welche den Lichttransport zu den Photorezeptoren beeinflusst. In den Versuchsbeschreibungen wird erläutert, wie das native Netzhautgewebe von Meerschweinen verschiedenen osmotischen Stimuli ausgesetzt wurde, um morphologische Veränderungen zu provozieren. Durch die parallele Beobachtung der Durchmesser ausgewählter Zellen der äußeren und inneren Netzhaut, sowie der quantitativen Lichtdurchlässigkeit des Gewebes, konnte die Autorin die morphologischen Veränderungen zur retinalen Lichtdurchlässigkeit in Beziehung setzen. Die Ergebnisse zeigen, dass Zellschwellungen zu einer Erhöhung der quantitativen Lichtdurchlässigkeit und Zellschrumpfungen zu einer Verringerung dieser führen. Es werden folgende Schlüsse gezogen: Die osmotischen Stimuli bewirken Volumenregulationsprozesse, infolge derer sich lokale Brechungsindizes und Extinktionskoeffizienten ändern und die retinale Lichtdurchlässigkeit beeinflussen. Zudem konnte die Autorin durch Versuche mit nativen Primatennetzhäuten nachweisen, dass die Abbildungsqualität im Zentrum der Fovea centralis am besten ist, weil die inneren Netzhautschichten dort nicht vorhanden sind und das Licht direkt auf die Photorezeptoren trifft. Diese Arbeit zeigt, dass die Wirbeltiernetzhaut ein optisch aktives Medium ist, dessen Morphologie die Lichttransmission durch das Gewebe beeinflusst.

Müllerzellen - die dominierenden Gliazellen der Netzhaut - üben vielfältige Funktionen und Aufgaben im retinalen „Zellnetzwerk“ aus. Ihre wohl wichtigste Funktion ist die Aufrechterhaltung der Volumen- und Ionenhomöostase der Retina. Forschungsergebnisse der letzten Jahre deuten darauf hin, dass pathologische Veränderungen in der Volumenregulation von Müllerzellen bei vielen Erkrankungen der Netzhaut eine bedeutende Rolle spielen. Diese Promotionsarbeit befasst sich mit morphologischen Veränderungen in der Netzhaut von Wildtypmäusen sowie von drei Mausstämmen mit genetischen Veränderungen (Überexpression von dnSNARE, P2Y1-defizient, IP3-R2-defizient) unter pathologischen Bedingungen. In den experimentellen Untersuchungen fand das in Vorarbeiten bereits etablierte Ischämie-Reperfusions-Modell Anwendung. Es ist bekannt, dass Müllerzellen nach retinaler Ischämie Veränderungen durchmachen, die als reaktive Gliose bezeichnet werden. Reaktive Müllerzellen sind nicht mehr in der Lage, bestimmte Funktionen zu erfüllen, die sie in der gesunden Netzhaut haben, dazu gehört eine Einschränkung der Fähigkeit zur Volumenregulation. Ziel der Arbeit war es erstens, eine Charakterisierung der Mausnetzhäute hinsichtlich der zellulären Zusammensetzung der Retina vorzunehmen und zweitens zu untersuchen, inwiefern sich eine Störung der Müllerzellfunktion – wie sie bei allen drei genetisch veränderten Mauslinien vorliegt – auf das Überleben der Nervenzellen unter extremen Stressbedingungen wie z.B. einer Ischämie auswirkt. Denn gerade unter den mit einer Ischämie einhergehenden Bedingungen sollte die Funktion der Müllerzellen zum Erhalt der retinalen Ionen- und Volumenhomöostase von entscheidender Bedeutung sein.

O sistema visual lida com mudanças significativas na quantidade absoluta de fótons no meio ambiente, que varia 10 a 12 unidades logarítmicas ao longo de um dia. Parte desta versatilidade decorre da existência de fotorreceptores, bastonetes e cones, ativos em luminosidades médias diferentes, e outra parte é consequência de mecanismos de controle de ganho pós-receptorais, que ajustam a faixa dinâmica da retina à luminosidade média. Já na primeira sinapse visual, a atividade de muitos fotorreceptores converge para as células bipolares (BCs), neurônios de segunda ordem. Em mamíferos, supõe-se que o número de neurônios convergentes mantém-se relativamente fixo durante a vida adulta do organismo, embora a árvore dendrítica das BCs aumente de tamanho. No caso de peixes teleósteos, o grau de convergência neuronal para as BCs aumenta com a idade em função de neurogênese e sinaptogênese constantes. Como a relação entre a estrutura celular e o grau de convergência sináptica influencia a integração somática de sinais, estudamos os efeitos do crescimento celular acompanhado de variações na convergência sináptica no caso específico da BC ligada a bastonetes. Para tanto, desenvolvemos um modelo computacional deste tipo celular e dos bastonetes a ela conectados utilizando o ambiente de simulação NEURON, com base em dados de literatura e obtidos por nosso grupo de pesquisa a respeito de sua geometria, conectividade e biofísica, e simulamos diversos tipos de estimulação. Para mimetizar níveis escotópicos de luminosidade, estimulamos apenas um dos bastonetes convergindo para a BC modelo; para mimetizar níveis mesópicos, todos os bastonetes foram estimulados concomitantemente. Estas simulações foram realizadas primeiramente com um modelo de BC contendo apenas condutâncias sinápticas e passivas, para investigar o impacto da geometria celular na integração de sinais. A seguir, o modelo passou a incorporar condutâncias dependentes de voltagem permeáveis a potássio (K+) modeladas a partir de dados da literatura e do nosso grupo de pesquisa, para investigar o papel das mesmas no controle de ganho da sinapse entre BCs e bastonetes durante o crescimento celular. Os resultados destas simulações indicam que o aumento da árvore dendrítica da BC com o crescimento hiperpolariza seu potencial de repouso e aumenta as amplitudes de resposta, devido ao aumento da área de superfície de membrana contendo canais passivos com potencial de reversão negativo. Já o aumento da convergência de bastonetes para a BC despolariza seu potencial de repouso e diminui as amplitudes resposta, o que equivaleria a uma diminuição da sensibilidade 3 em células reais. Mais ainda, o aumento no grau de convergência contribui para a diminuição das latências de resposta da BC, ao passo que o crescimento celular aumenta as latências linearmente. A inserção de canais dependentes de voltagem nos terminais dendríticos da BC aproxima as amplitudes e diminui as latências de resposta de BCs com diferentes graus de convergência. Além disso, tais canais reduzem os efeitos decorrentes do crescimento celular descritos anteriormente, tornando a amplitude e latência de resposta independentes do tamanho da árvore dendrítica. Desse modo, canais de K+ dependentes de voltagem dendríticos estabilizam as amplitudes e latências de resposta da BC ao longo do crescimento, contribuindo para a coerência da mensagem passada para as outras camadas da retina e, posteriormente, para o cérebro. Estes resultados sugerem que correntes ativas são fundamentais não apenas para controlar o ganho das sinapses entre bastonetes e BCs em um mesmo estado de adaptação, mas também para estabilizar o potencial de repouso e velocidade e amplitudes de resposta dos neurônios ao longo do crescimento / The visual system deals with significant changes in the absolute quantity of photons in the environment, which vary 10 to 12 log units throughout a single day. Part of this versatility is due to the existence of different photoreceptors, rods and cones, which function at different mean light intensities, and due to post-receptor gain control mechanisms, which adjust the dynamic range of the retina to the mean luminosity. At the first visual synapse, the activity of many photoreceptors converges onto bipolar cells (BCs), second order neurons of the retina. In mammals, the degree of convergence is supposed to be constant throughout adult life, despite evidence of morphological changes in the dendritic structure of BCs. In teleost fish, however, the convergence of rods to BCs increases with age due to constant retinal neurogenesis and synaptogenesis. Since cellular structure and synaptic convergence influence somatic signal integration, we investigated the effects of cellular growth and synaptic convergence in the responses of the rod bipolar cell. We developed a computational model of a BC-rod circuitry within the NEURON simulation environment, based on literature data and on data collected by our own research group regarding the geometry, connectivity and biophysics of BCs. To simulate scotopic light levels, only one of the rods converging to the model BC was stimulated. Mesopic light levels were simulated by concomitantly stimulating all rods. We initially investigated the impact of cell geometry in somatic signal integration, by studying a model BC containing only passive and synaptic conductances. We subsequently inserted a voltage-gated potassium (K+) conductance in the dendritic tips of the model in order to investigate its role in controlling the gain of the rod-BC synapse during growth. Our results indicate that increasing the dendritic tree leads to hyperpolarization of the BC resting potential, due to the larger membrane surface containing the passive conductance, which has a negative reversal potential. Increasing rod convergence, on the other hand, depolarizes the BC resting potential and decreases response amplitudes, which would be equivalent to a decrease in sensitivity in a real cell. In addition, increases in convergence reduce response latencies, whereas cellular growth increases latencies linearly. The insertion of voltage-gated K+ conductances in the dendritic tips of the BC, in turn, aproximates the response amplitudes and decreases response latencies of BCs with different synaptic convergences. Moreover, voltage-gated conductances reduce the consequences of cellular growth, rendering response amplitudes and latencies independent of dendritic 5 tree size. These active conductances therefore contribute to signal consistency. Our results suggest that active currents not only control the gain of the rod-BC synapse in a given adaptive state, but also stabilize the BC resting potential, as well as response amplitude and latency during growth

Esta dissertação apresenta o desenvolvimento e avaliação de um método para a segmentação de vasos sangüíneos em imagens de retina, em que se usa a transformada wavelet contínua bidimensional combinada com classificação supervisionada. A segmentação dos vasos é a etapa inicial para a análise automática das imagens, cujo objetivo é auxiliar a comunidade médica na detecção de doenças. Entre outras doenças, as imagens podem revelar sinais da retinopatia diabética, uma das principais causas de cegueira em adultos, que pode ser prevenida se detectada em um diagnóstico precoce. A abordagem apresentada consiste na geração de segmentações pela classificação supervisionada de pixels nas classes \"vaso\" e \"não vaso\". As características usadas para classificação são obtidas através da transformada wavelet contínua bidimensional usando a wavelet de Gabor. Resultados são avaliados nos bancos públicos DRIVE e STARE de imagens coloridas através da análise ROC (\"receiver operating characteristic\", ou característica de operação do receptor). O método atinge áreas sob curvas ROC de 0.9614 e 0.9671 nos bancos DRIVE e STARE, respectivamente, ligeiramente superiores àquelas apresentadas por outros métodos do estado da arte. Apesar de bons resultados ROC, a análise visual revela algumas dificuldades do método, como falsos positivos ao redor do disco óptico e de patologias. A wavelet de Gabor mostra-se eficiente na detecção dos vasos, superando outros filtros lineares. Bons resultados e uma classificação rápida são obtidos usando o classificador bayesiano em que as funções de densidade de probabilidade condicionais às classes são descritas por misturas de gaussianas. A implementação do método está disponível na forma de \"scripts\" código aberto em MATLAB para pesquisadores interessados em detalhes de implementação, avaliação ou desenvolvimento de métodos. / This dissertation presents the development and evaluation of a method for blood vessel segmentation in retinal images which combines the use of the two-dimensional continuous wavelet transform with supervised classification. Segmentation of the retinal vasculature is the first step towards automatic analysis of the images, aiming at helping the medical community in detecting diseases. Among other diseases, the images may reveal signs of diabetic retinopathy, a leading cause of adult blindness, which can be prevented if identified early enough. The presented approach produces segmentations by supervised classification of each image pixel as \"vessel\" or \"nonvessel\", with pixel features derived using the two-dimensional continuous Gabor wavelet transform. Results are evaluated on publicly available DRIVE and STARE color image databases using ROC (receiver operating characteristic) analysis. The method achieves areas under ROC curves of 0.9614 and 0.9671 on the DRIVE and STARE databases, respectively, being slightly superior than that presented by state-of-the-art approaches. Though good ROC results are presented, visual inspection shows some typical difficulties of the method, such as false positives on the borders of the optic disc and pathologies. The Gabor wavelet shows itself efficient for vessel enhancement, outperforming other linear filters. Good segmentation results and a fast classification phase are obtained using the Bayesian classifier with class-conditional probability density functions described as Gaussian mixtures. The method\'s implementation is available as open source MATLAB scripts for researchers interested in implementation details, evaluation, or development of methods.

A sinalização no sistema nervoso pode ocorrer pelo acoplamento direto entre células, via canais de junção comunicantes (JCs). Estes canais permitem a passagem de moléculas de até 1 kDa, e são formados por subunidades proteicas denominadas conexinas (Cxs). A comunicação celular via JCs desempenha um importante papel durante o desenvolvimento e a sinalização visual. Além disso, o acoplamento celular provido pelas JCs tem sido relacionado a processos de sobrevivência/morte celular. Do mesmo modo, ciclinas e cinases dependentes de ciclinas (CDKs), além de seu papel clássico na regulação do ciclo e diferenciação celular, estão envolvidas em processos neurodegenerativos. Estudos recentes têm observado a reentrada no ciclo celular de células neuronais pós-mitóticas em apoptose. Neste contexto, analisamos a expressão gênica e proteica das Cxs e ciclinas em resposta às lesões no sistema visual, especificamente na retina. Estas análises foram realizadas após a indução de trauma mecânico, modelo experimental que permite a visualização do foco, penumbra e áreas adjacentes à lesão. Utilizando técnicas combinadas, como a reação em cadeia da polimerase em tempo real (PCR Real-Time), Western Blot e imuno-histoquímica, avaliamos a expressão espaço-temporal destes genes e as proteínas por eles codificadas, em diferentes tempos pós-lesão. Os resultados da PCR Real-Time revelaram uma ausência de modulação da expressão gênica de Cx36 para os diferentes tempos pós-lesão analisados. A Cx43 mostrou aumento dos transcritos, após três e sete dias pós-lesão. A ciclina D1 e B1 apresentaram modulação significativa após um, três e sete dias pós-lesão. As análises de imuno-histoquímica revelaram uma redistribuição da Cx36 em resposta à lesão em diferentes tempos pós-lesão. A Cx43, por sua vez, apresentou um aumento aparente de sua expressão no foco e zona de penumbra da lesão, nos período de um, três e sete dias pós-lesão. Em retinas, após um e três dias de lesão, a ciclina D1 encontrou-se presente em células próximas ao foco da lesão. Observamos a presença de ciclina B1 no foco da lesão após um dia de lesão. Por meio de análises de Western Blot não foi possível detectar alterações das diferentes proteínas estudadas nas retinas, em períodos variados de exposição à lesão. Os dados deste estudo sugerem que i) possivelmente, as células afetadas pela lesão se encontram acopladas; ii) expressam proteínas reguladoras do ciclo celular. Levando em consideração o conjunto de resultados, sugerimos que é possível induzir ou prevenir a reentrada do ciclo celular em células pós-mitóticas da retina, controlando o acoplamento mediado pelas proteínas formadoras das JC. / Communication in the nervous system can occur directly between the cells through structures known as gap junction (GJ) channels. These channels allow the passage of small molecules up to 1 kDa and are composed of protein subunits named connexins (Cxs). Cell communication through GJ plays an important role during the development and visual signaling. Furthermore, cell coupling provided by the GJs has been related to processes of survival/cell death. Similarly, in addition to the classic role of cyclins and cyclins dependent kinases (CDKs) in the cell cycle regulation and differentiation, they are also involved in neurodegenerative processes. Recent studies have demonstrated the reentry of apoptotic post mitotic neurons in the cell cycle. In this context, we analyzed the gene and protein expression of Cxs and cyclins after lesions in the visual system, specifically in the retina. For this purpose, a mechanic trauma was induced in the retina, which represents a model that allows us to visualize the lesion focus, penumbra and adjacent areas. Using combined techniques, such as the real time polymerase chain reaction (real-time PCR), Western blot and immunohistochemistry, we evaluated the spatio-temporal expression of these genes and their encoded proteins at different times post-lesion. The real-time PCR revealed no modulation of the Cx36 gene expression for all the times post-lesion analyzed. Our results showed increase in the Cx43 transcripts one, three and seven days post-lesion. The immunohistochemistry analysis indicated redistribution of Cx36 in response to the lesion in different times. On the other hand, Cx43 presented evident increased expression in the focus and penumbra areas of the lesion one, three and seven days post-lesion. In our experiments we could observe that cyclin D1 is expressed in cells located close to the lesion focus one and three days post-lesion, while cyclin B1 is expressed in these cells only one day post-lesion. The Western blot analysis did not show changes on the protein levels evaluated in this study in any of the post-lesion times analyzed. Data obtained from this study suggest i) the cells affected by the lesion are possibly coupled by GJ; ii) these cells express protein regulators of cell cycle. Altogether, the results indicate that it is possible to induce or prevent the reentry of post mitotic cells of the retina in the cell cycle, by controlling cell coupling provided by GJ.

O presente trabalho trata-se do desenvolvimento de uma cavidade Laser de estado sólido e geração de segundo harmônico, para fins oftalmológicos. A cavidade faz parte de um projeto maior que se refere a um fotocoagulador portátil, utilizado em diversos protocolos clínicos relacionados às doenças da retina e câmara anterior, como retinopatia diabética, retinopatia da prematuridade, glaucoma, edema macular e descolamento de retina. A cavidade proposta é composta por três espelhos dispostos em uma arquitetura em V. Um laser de diodo bombeia um cristal de Nd:YAG para a geração de laser em 1064nm que passa por um cristal de KTP para a geração de segundo harmônico em 532nm (laser verde). O sistema de acoplamento indexado à cavidade acopla até 90% da potência de saída em uma fibra óptica com núcleo de 100\'mü\'m. A cavidade projetada e implementada, produz um feixe com comprimento de onda de 532nm (laser verde), largura de banda de 0,5nm, potência máxima em torno de 2,5W na saída da fibra óptica e pulsos com duração máxima de 3s, que são requisitos para os tratamentos oftalmológicos associados a este tipo de equipamento. É importante destacar que a cavidade foi projetada e desenvolvida inteiramente com tecnologia nacional, sendo o primeiro trabalho desenvolvido no Brasil, que se tornou efetivamente um equipamento final para uso clínico. Além do projeto da cavidade laser, são descritos neste trabalho os sistemas mecânico e eletrônico, que possibilitaram seu funcionamento na integração do fotocoagulador. O fotocoagulador foi testado em pacientes voluntários da Escola Paulista de Medicina da UNIFESP, apresentando resultados comparáveis aos sistemas importados. / This work presents the research and the development of a solid state laser cavity with second harmonic generation for ophthalmological purpose. The laser cavity is part of a major project intended to produce a handle photocoagulator. This medical equipment is applied in several clinical protocols related to retinal and anterior chamber pathologies, such as diabetic retinopathy, retinopathy of prematurity, glaucoma, macular edema and retinal detachment. The present cavity is composed by three mirrors disposed in a V shape architecture. One laser diode pumps the Nd:YAG crystal to generate the 1064nm laser that is converted by second harmonic generation in 532nm through the KTP crystal (green laser). The coupling system attached in the cavity is able to collimate until 90% of the laser beam inside a optical fiber with 100 \'mü\'m core. The developed cavity produces a beam with wavelength of 532nm, spectral width of 0.5nm, maximum power around 2.5W in the end of the optical fiber and maximum pulse duration of 3s. Those parameters are requirements for ophthalmological treatments related to this kind of equipment. It is important to declare that the cavity was projected and developed in Brazil. This is the first work in this country that becomes effectively a device to clinical application. Besides the cavity design project, in this work also describes the mechanical and electronic sub systems that was responsible to the laser control and photocoagulator assembler. This product was tested in patients eyes from UNIFESP (Escola Paulista de Medicina), and showed similar results compared to the systems on the market.

A retinopatia da prematuridade é uma doença ocular do desenvolvimento associada a um crescimento vascular retiniano anormal e ocorre somente em recém-nascidos com menos de 32 semanas de gestação e submetidos a longos períodos em incubadoras, tipicamente ricas em oxigênio. A doença possui duas fases: (1) a inibição do desenvolvimento normal de vasos na retina, decorrente da hiperóxia induzida pelo ambiente da incubadora; (2) neovascularização retiniana devido ao aumento de fatores de crescimento desencadeados pela pouca disponibilidade de oxigênio fora da incubadora. O objetivo deste trabalho é avaliar a função visual em um modelo animal de retinopatia da prematuridade, comparando-o a animais sadios. Eletrorretinogramas (ERGs) de campo total foram realizados em camundongos (Mus musculus) controle e camundongos submetidos hiperoxigenação em câmara hiperbárica (75% de oxigênio) durante o desenvolvimento retiniano pós-natal para entender as perdas visuais que ocorrem na retinopatia da prematuridade. Foram utilizados 122 animais, divididos em dois grupos: no grupo controle¸ ERGs foram realizados em P17 (n = 32), P30 (n = 26) e P60 (n = 44) com estimulação em comprimentos de onda distintos (LEDs com pico de emissão em 365 nm, 459 nm, 525 nm e 635 nm) para avaliação da atividade funcional da retina ao longo do desenvolvimento, não passando por nenhuma manipulação experimental adicional; no grupo experimental, os animais foram submetidos à hiperoxigenação de P7 a P12 para indução da angiogênese e avaliados com ERGs com estimulação em 459 nm em P17 (n = 7), P30 (n = 6) e P60 (n = 7), para acompanhar o desenvolvimento retiniano. Todos os animais foram adaptados ao escuro por pelo menos duas horas antes da realização dos experimentos. Em sessão de 40 a 60 minutos de duração, os animais foram submetidos a flashes de luz em intensidades crescentes. Amplitudes e latências das ondas a, b e potenciais oscilatórios foram medidas, e relações intensidade-resposta ajustadas com modelos matemáticos diferentes para comparação entre indivíduos e entre grupos. Os parâmetros obtidos com os ajustes foram comparados através de ANOVA e testes T de Student com as devidas correções de Bonferroni. Nos níveis luminosos testados, a onda b do ERG murino é majoritariamente dominada pela atividade dos bastonetes e a onda a majoritariamente dominada pelos cones. Os registros em animais em P17 e P30 do grupo controle foram similares aos realizados em P60 quanto à latência e amplitude de resposta, bem como quanto à sensibilidade e grau de cooperação entre os distintos elementos do ERG. Entretanto, as amplitudes máximas de resposta foram ligeiramente maiores em P30 para todos os comprimentos de onda e houve ligeira redução da sensibilidade absoluta ao longo do desenvolvimento. Para o grupo experimental, os animais em P17 sofreram as maiores perdas, com diminuições nas amplitudes de todos os componentes do ERG, sem prejuízo das latências ou sensibilidade. Também houve uma sucessiva recuperação das respostas ao longo do desenvolvimento animal. Esses achados indicam que o modelo de ROP em camundongos reproduz aspectos essenciais ao quadro patológico severo humano / The retinopathy of prematurity is an ocular developmental disorder associated with abnormal retinal vascular growth and occurs only in neonates younger than 32 weeks of gestation and undergoing long periods in incubators, typically rich in oxygen. The disease has two phases: (1) the inhibition of the normal development of vessels in the retina, due to the hyperoxia induced by the incubator environment; (2) retinal neovascularization due to the increase in growth factors triggered by the low availability of oxygen outside the incubator. The objective of this study is to evaluate the visual function in an animal model of retinopathy of prematurity, comparing it to healthy animals. Full-field electroretinogram (ERGs) were performed on control mice (Mus musculus) and that were exposed to a hyperbaric chamber (75% oxygen) during post-natal retinal development to understand the visual losses that occur in retinopathy of prematurity. We used 122 animals, divided into two groups: in the control group, ERGs were performed at P17 (n = 32), P30 (n = 26) and P60 (n = 44) with stimulation at different wavelengths (LEDs with peak of emission at 365 nm, 459 nm, 525 nm and 635 nm) for evaluation of the functional activity of the retina throughout the development, without any additional experimental manipulation; in the experimental group, animals were submitted to hyperoxogenation of P7 to P12 for induction of angiogenesis and evaluated with ERGs with stimulation at 459 nm in P17 (n = 7), P30 (n = 6) and P60 (n = 7) to follow up retinal development. All animals were dark adapted for at least two hours prior to the experiments. In sessions with 40 to 60 minutes, the animals were subjected to flashes of light at increasing intensities. Amplitudes and latencies of a-waves, b-waves and oscillatory potentials were measured, and intensity-response relationships adjusted with different mathematical models for comparison between individuals and between groups. The parameters obtained with the adjustments were compared through ANOVA and Student\'s T tests with the appropriate Bonferroni correction. In the light levels tested, the murine ERG b-wave is dominated by rod activity and the a-wave is dominated by the cones. The records in animals at P17 and P30 of the control group were similar to those performed at P60 regarding the latency and amplitude of response, as well as the sensitivity and degree of cooperation between the different ERG elements. However, the maximum response amplitudes were slightly higher at P30 at all wavelengths and there was slight reduction of absolute sensitivity throughout development. For the experimental group, the animals at P17 suffered the greatest losses, with decreases in the amplitudes of all the components of the ERG, without prejudice to the latencies or sensitivity. There was also a successive recovery of responses throughout animal development. These findings indicate that the ROP model in mice reproduces aspects essential to the severe human pathology