Inherited Retinal Degenerations (IRDs) are a heterogenous group of diseases which lead to vision impairment and can be found both in humans and in dogs. About 1 in 1,380 humans is estimated to suffer from an autosomal recessive IRD, which would be 5.5 million people worldwide, and many more are estimated to be unaffected carriers. This makes autosomal recessive IRDs likely the most common group of Mendelian diseases in humans. Today, about 300 genetic mutations have been connected to cause retinal diseases in humans. Whilst in dogs only 32 genes have been identified, numerous eye conditions have been described where the genetic cause has not yet been identified. This suggests that there are much more genetic causes to discover in the dog genome. Additionally, the dog serves well as a model organism to investigate IRDs as it is sharing morphological and genetic similarities with humans. For these reasons, proper software, a canine reference genome of high quality, and smart implementation of bioinformatic tools and methods are a big advantage to increase chances of finding new causative genetic variants and subsequently enable faster detection of possible preventions of the disease or at least alleviating its symptoms via early diagnosis. In this project, a pre-existing pipeline consisting of Bash scripts was stepwise improved with the goal to increase its efficiency. After controlling whether previous data could still be reproduced with the old pipeline in a first step, the software was exchanged to more updated versions in a second step. A main change was the replacement of the mapping tool Burrows-Wheeler Aligner (BWA) from bwa mem to bwa-mem2 mem, and the update of deprecated Genome Analysis Toolkit (GATK) 3.7 to version 4.3 or 4.4. Thirdly, the scripts were adapted from using the older canine reference genome CanFam3.1 to CanFam4. In a fourth step, for automatization and fastening the running time, the pipeline steps were implemented into the workflow management system Nextflow. Additionally, this step was partly aiming to make the pipeline in concordance with the FAIR-principles. All steps were tested on the same test data set, a Labrador retriever family trio, in which one genetic cause for a canine form of the IRD Stargardt disease in a previous study had been detected, namely an insertion in the ABCA4 gene. Lastly, the workflow was also tested on a second data set of a novel IRD of unknown genetic origin on two sibling pairs of Chinese Crested Dogs (CCR). The adjustment of the pipeline shows similar results regarding the change of mapping tool. Introducing the new reference genome revealed a drop of average coverage by one read average for when using CanFam4, while other results were similar. Using the new reference genome increased the number of unknown variants compared to findings with CanFam3.1. However, the known causative variant for the canine form of Stargardt disease, an insertion in ABCA4 gene, could be found in all cases. The run with Nextflow produced identical results to when the respective steps were run with Bash scripts, but it reduced the running time. Running the workflow on the new data set (CCR) and subsequent annotation and filtering indicate new candidates which could be further investigated as a potential cause for this currently unknown cause for an IRD.

Purpose. In the genetically defective Royal College of Surgeons (RCS) rat model for retinal degeneration, a breakdown occurs in the retinal pigment epithelial (RPE) cell tight junctions just as the photoreceptors begin to degenerate. These experiments sought to determine the impact of the RPE genetic defect on this alteration in the RPE cell tight junctions. Methods. Retinal pigment epithelial cell cultures prepared from RCS and control rats were treated with hormonally defined medium (HDM), base medium conditioned by RCS or control retinas, or unconditioned base medium. The tight junctions formed by these cultures were assayed functionally by measuring transepithelial electrical resistance and permeability. Junction structure was evaluated by immunolocalization of the tight junction protein zonula occludens I and of the junction-associated actin microfilaments. Results. Retinal pigment epithelial cultures from dystrophic rats formed structurally and functionally normal tight junctions when maintained in hormonally defined medium. The junctions remained stable when the medium bathing the apical surface was switched to base medium preconditioned by normal retinas. In contrast, cultures treated with medium preconditioned by degenerating dystrophic retinas or with unconditioned medium exhibited a breakdown in their tight junctions. Conclusions. Retinal pigment epithelial cells isolated from dystrophic RCS rats can form tight junctions normally in vitro. Normal, but not dystrophic, retinas release factors that support RPE tight junctions. Therefore, the junctional abnormality seen in dystrophic rat RPE cells in vivo is probably caused by the loss of trophic factors normally provided by the healthy neural retina rather than by a direct effect of the genetic defect on the tight junctions.

The retina is one of the most metabolically active tissues in the body and the high energetic demand is met by a well-organized vascular network. Aberrant vasculature is a prominent feature of many vision-threatening diseases, and although angiogenic pathways have been extensively studied the limited efficacy of therapies currently available for the treatment of these diseases suggests that there is more to be elucidated. The caspase family of proteases is best known for their roles in programmed cell death and inflammation, however members of this family have been found to have essential functions independent of cell death. Caspase-8, in particular, has been previously shown to be essential for embryonic vascular development, however, a requirement for caspase-8 in postnatal vascular development has not been established and it is unclear how caspase-8 exerts its function. In this study, we investigate the cell specific roles of caspase-8 in the development of the retinal vasculature using the postnatal mouse retina as our model and identified endothelial caspase-8 as a mediator of canonical Wnt signaling. Inducible endothelial cell-specific caspase-8 knockout (Casp8 iECKO) resulted in a delay in early angiogenesis and barrier establishment, and an increase in inflammation and premature vascular remodeling compared to littermate controls. Assessment of Lef1, a downstream effector of the Wnt pathway, confirmed that this phenotype was a result of inhibited Wnt signaling. We additionally show that caspase-8 mediates this pathway through degradation of its substrate HDAC7. HDAC7 has been shown previously to bind to β-catenin blocking its nuclear translocation. Caspase-8 mediated HDAC7 degradation restores β-catenin translocation and downstream Wnt signaling. We also explore the function of caspase-8 in myeloid cells – microglia and macrophages – during angiogenesis. We used an inducible myeloid-specific caspase-8 knockout (Casp8 imGKO) mouse and found that loss of caspase-8 in these cells did not affect angiogenesis. However, Casp8 imGKO resulted in a reduction in microglia number and a change in their morphology specifying a role for caspase-8 in mediating cell survival and activation in microglia. Altogether we show that caspase-8 exerts cell specific functions during retinal angiogenesis that are independent of cell death. We elucidate a novel role of caspase-8 in mediating Wnt/β-catenin signaling, and implicate caspase-8 as a potential therapeutic target in pathological angiogenesis.

Retinitis pigmentosa (RP) is the most common form of inherited retinal degeneration, heterogenous in its clinical presentation and genetic cause. Understanding the short-term disease mechanisms is pivotal for the development of new therapies. Upcoming clinical trials will take genotype-agnostic approaches; therefore, a comprehensive analysis of progression that encompasses many genetic factors will be needed. In this 10-year retrospective cohort study, rates of progression were measured, structurally and functionally, in 85 RP patients seen at the Ottawa Eye Institute. Parameters examined were the ellipsoid zone (EZ) length on an optical coherence tomography (OCT) image, Humphrey and Goldmann visual fields (VF), and full-field and multifocal electroretinograms (ERGs). RP is revealed to have a 1st order exponential decay pattern of loss, with mean rates of decline of 7.65 %/year for ellipsoid zone (EZ) length, 6.35%/year, 4.39%/year, and 1.57%/year for the Humphrey VF 30-2, 24-2, and 10-2 mean deviation (MD) respectively, and 5.22%/year, 7.77%/year, 6.77%/year, 6.80%/year, and 12.45%/year for Goldmann V4e, III4e, I4e, I3e, and I2e isopter lengths, respectively. In cases where different diagnostic tests were conducted within 3 months of each other, the data was analysed to determine if there was a positive correlation between the diagnostic tests. Ellipsoid zone length and Humphrey 24-2 mean deviation exhibited the strongest association with a coefficient of 0.99. The study reveals structural and functional changes in advanced retinitis pigmentosa and presents a protocol for assessing short-term progression.

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Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / Prevention of pathological angiogenesis is a key strategy for treatment of common blinding ocular diseases such as retinopathy of prematurity, proliferative diabetic retinopathy, and wet age-related macular degeneration. The current treatment strategies are associated with partial vision loss and are ineffective in a significant patient population. Hence novel drugs as well as new ways to target ocular angiogenesis are needed for treating these diseases. I pursued a natural antiangiogenic compound, cremastranone, to develop novel drug leads and to find new targets. The objective of my doctoral thesis project was to elucidate cremastranone’s molecular mechanism of action and optimize its structureactivity relationship (SAR). In order to achieve this goal, with the help of chemistry collaborators cremastranone was synthesized for the first time. I showed that cremastranone has 50-fold more potency against endothelial cells as compared to nonendothelial cells, and also tested a novel active isomer, SH-11052. By SAR studies I identified a potent molecule, SH-11037, that has 10-fold more selectivity against retinal endothelial cells as compared to macrovascular endothelial cells. I then elucidated cremastranone’s molecular mechanism using a chemical proteomic approach. I identified ferrochelatase (FECH) as a specific interacting protein partner of cremastranone using photoaffinity chromatography. Hence, I hypothesized that cremastranone exerts its antiangiogenic activities through modulation of the functions of FECH. Cremastranone inhibited the enzymatic activity FECH in endothelial cells. Therefore, I investigated the role of FECH in ocular angiogenesis. Partial loss of FECH, using a siRNA-based knock down approach, decreased retinal angiogenesis both in vitro and in vivo in mouse models. Knock down of FECH decreased the expression levels of key proangiogenic proteins HIF-1α, eNOS, and VEGFR2. This work suggests that ferrochelatase plays an important, previously undocumented role in angiogenesis and that targeting of this enzyme by cremastranone might be exploited to inhibit pathological angiogenesis in ocular diseases.

Los fotorreceptores de los mamíferos, las células externas de la retina que detectan la luz, carecen de capacidad de autorregeneración tras una lesión. En los estadios avanzados de las IRD, los fotorreceptores se pierden pero la estructura interna de la retina se conserva durante largos periodos de tiempo, aunque con una importante remodelación sináptica y gliosis. Para estas condiciones, las terapias regenerativas dirigidas a reemplazar los fotorreceptores y establecer sinapsis funcionales con las neuronas internas de la retina viables restantes podrían permitir la recuperación de la visión en pacientes que de otro modo serían ciegos. En otras palabras, la terapia con células madre está dirigida al tratamiento de las degeneraciones de la retina en aquellas situaciones en las que se han perdido los fotorreceptores y, por lo tanto, no es posible restaurar la funcionalidad a través de enfoques más comunes como la terapia de reemplazo de genes. Se han desarrollado y caracterizado células madre embrionarias humanas (hESC) o células madre pluripotentes inducidas (iPSC) derivadas de células precursoras de fotorreceptores (PRPC) contenidas en organoides de retina (RO) para terapias experimentales regenerativas. Aunque la terapia con células madre es un campo que ha mostrado resultados prometedores en animales de laboratorio, no hay informes que evalúen la seguridad y eficacia de su uso en perros. Con un inyector subretiniano que fue modificado para acomodar el gran tamaño de los agregados celulares, inyectamos con éxito las células en el espacio subretiniano (SRS) canino utilizando un procedimiento quirúrgico sencillo (inyección manual en bolo sin vitrectomía previa). Pudimos monitorizar la supervivencia y las características de las células injertadas a lo largo del tiempo utilizando un enfoque de imagen multimodal que incluía la detección mediante fotografía del fondo de ojo y/o cSLO de los genes reporteros fluorescentes (tdTomato o GFP) expresados por las PRPC. Esto nos permitió superar un reto importante encontrado en otros estudios, donde las células donantes no fluorescentes fueron seguidas sólo por OCT o detectadas por histología después de la terminación. La visualización de las PRPC fluorescentes en el animal vivo nos permitió diferenciarlas de las células del huésped. En consonancia con lo descrito anteriormente, observamos dos patrones temporales de pérdida de células del donante: una reducción temprana del número de células injertadas en la primera semana del trasplante que no dependía del estado de la inmunosupresión (IS), y un rechazo retardado del injerto, observado en aquellos perros que no estaban inmunosuprimidos. De hecho, hasta donde sabemos, no hay estudios que evalúen el tiempo de pérdida de fotorreceptores tras el trasplante, con y sin IS, controlando simultáneamente la transferencia de material citoplasmático entre las células del donante y del huésped. Aquí observamos signos compatibles con el rechazo del trasplante en animales que no recibieron IS sistémico, así como en un único perro cuyo tratamiento con IS se interrumpió. El grado de inflamación clínica variaba entre los animales, pero la vasculitis retiniana, el vítreo turbio y la inflamación de la retina eran comunes en todos los perros con rechazo de las células del donante. Estos signos se detectaron por primera vez entre 1-2 y 12 semanas después del trasplante, lo que respalda la necesidad de un seguimiento frecuente de las retinas tratadas en los meses siguientes al trasplante para detectar posibles signos tempranos de rechazo y ofrecer la oportunidad de ajustar el régimen inmunosupresor. Dado que el rechazo del trasplante en el SRS también puede producirse sin inflamación clínica manifiesta, se justifica la identificación de nuevos biomarcadores que puedan detectar la inflamación subclínica temprana para modular la respuesta inmunitaria y prolongar la supervivencia del injerto. Aunque se desconocen todos los factores que promueven la supervivencia de las células del donante, descubrimos que el IS sistémico desempeñaba un papel fundamental en la supervivencia de las hESC-PRPCs administradas por vía subretiniana, como se había informado anteriormente. En el presente estudio, algunas PRPC desarrollaron estructuras similares a pedículos, expresaron la proteína presináptica sinaptofisina y establecieron contactos con las células bipolares del anfitrión. Estos resultados alentadores preparan ahora el terreno para la evaluación funcional de estas xenosinapsis. La retinosis pigmentaria es un grupo de enfermedades genéticas que provocan una pérdida progresiva de la visión, siendo una de las principales causas de ceguera en los países desarrollados. Está bien documentado que en pacientes con retinosis pigmentaria, existe una disfunción vascular asociada que conduce al adelgazamiento de los vasos; sin embargo, las implicaciones de esta disfunción vascular en la degeneración de los fotorreceptores no se comprenden completamente. Los modelos caninos de degeneraciones retinianas hereditarias han sido de gran relevancia en el desarrollo traslacional de terapias de reemplazo génico para múltiples formas de retinosis pigmentaria, Amaurosis congénita de Leber, y enfermedad de Best. De manera similar a lo que ocurre en pacientes con retinosis pigmentaria, los perros afectados con las mismas mutaciones también experimentan remodelación vascular, sin embargo, la cinética de esta remodelación vascular en enfermedades retinianas hereditarias caninas no se ha estudiado y no se han establecido los parámetros normales en el perro. La angiografía por tomografía de coherencia óptica (OCTA) es un método novedoso de obtención de imágenes sin necesidad del uso de contraste intravenoso que permite la visualización detallada de la circulación retiniana, lo que permite el estudio de los distintos plexos vasculares por separado. Esta importante extracción de imágenes de los diferentes plexos, junto con la alta resolución de estos angiogramas, permite una cuantificación más precisa de la densidad vascular y otros parámetros, teniendo muchas aplicaciones en sujetos sanos y en pacientes con diferentes enfermedades oculares y sistémicas. Con el uso de modernas técnicas de imagen, este trabajo ha confirmado la presencia de cuatro plexos retinianos distintos. Aunque muchos estudios han informado de los datos cuantitativos de las imágenes OCTA en retinas humanas, no se han descrito parámetros vasculares caninos. Este estudio proporciona datos normativos para el SVP+ICP, DCP y WR, estableciendo con éxito un rango de referencia que puede ser consultado y comparado en futuros estudios. En los ojos humanos, el número de plexos retinianos y sus densidades disminuyen hacia la periferia, y esto es similar a lo que Engerman et al. describieron previamente en perros. Nuestro trabajo no sólo confirma este hallazgo, sino que ahora proporciona datos cuantitativos para cuatro parámetros que se utilizan frecuentemente para caracterizar las redes vasculares. En nuestra evaluación, los angiogramas de OCTA tenían una mayor resolución en comparación con las imágenes de AF en la misma localización. Al igual que en el caso de los seres humanos, la angiografía por OCT en perros permitió identificar lechos capilares (ICP y DCP) que no se identificaban con la AF. Sin embargo, la AF proporcionó un mayor campo de visión y los artefactos que se encontraron en algunas de las exploraciones de OCTA (artefactos de movimiento y anormalidades de descorrelación debido al artefacto de proyección) no se observaron en las imágenes de AF. Cuando se compara con las imágenes obtenidas por IHC en montajes completos de retina, nuestro estudio confirma que la OCTA proporciona una buena visualización de la SVP y la DCP. También encontramos que había una subrepresentación de los vasos de pequeño calibre en la OCTA, especialmente los situados en capas altamente reflectantes (ICP). Cuando se compara con las imágenes adquiridas en las mismas localizaciones por microscopía confocal/IHC, nuestros resultados sugieren que la OCTA es una técnica valiosa para visualizar y cuantificar la vasculatura retiniana en perros, especialmente para el análisis de la VD en el DCP. Además, por IHC encontramos que el ICP se fusiona con el SVP pero no con el DCP como ocurre en las retinas humanas. Nuestro estudio ha confirmado la viabilidad del uso de OCTA en perros, proporcionando imágenes resueltas en profundidad de diferentes capas retinianas segmentadas que permiten la evaluación de plexos individuales. Esto allana el camino para otros análisis in vivo de la vasculatura de la retina canina en un amplio número de patologías de la retina con un fenotipo vascular. Además, evaluamos los cambios vasculares en el area centralis de perros afectados por varias formas de IRD que fueron visualizados por OCTA en diferentes etapas de la enfermedad. Identificamos que la DCP está más afectada que las redes vasculares más superficiales en una etapa temprana de la enfermedad. Además, confirmamos que existe una fuerte asociación entre el VD en el DCP y el grosor de la ONL, lo que sugiere que la evaluación de la vascularización en este plexo puede utilizarse como un marcador indirecto para la evaluación de los requisitos metabólicos de la retina externa. Por último, hemos validado mediante el análisis de los vasos en los montajes planos de la retina los hallazgos de la OCTA, y hemos descubierto que en los modelos caninos de IRD la migración de las células del RPE también desempeña un papel en las alteraciones vasculares de la fase posterior que se producen en los pacientes con RP. Encontramos que los cambios microscópicos observados en los vasos con degeneración eran diferentes en las distintas redes retinianas. En la DCP, se confirmó un estrechamiento y una pérdida progresiva de vasos, que acabó con la desaparición completa de esta red. En el SVP de los tres modelos, los vasos presentaban un mayor grosor de la pared debido a la deposición de material que rodea la pared vascular que, en las fases finales, conduce al estrechamiento y la oclusión vascular. En la fase final de la enfermedad, se observó que múltiples vasos de la SVP estaban rodeados de estructuras pigmentadas. El marcaje específico de RPE65 reveló que se trataba de células del PRE que habían migrado para rodear estos vasos internos de la retina. Aquí caracterizamos dos tipos diferentes de degeneración vascular que se producen en los plexos retinianos SVP y DCP, lo que podría aportar información para futuros estudios que evalúen específicamente la fisiopatología de esta degeneración vascular. Un animal del modelo crd2/NPHP5 fue tratado con terapia de reemplazo génica unilateralmente con una inyección subretiniana que cubría el area centralis. En este perro, la pérdida de ONL en el momento de la intervención de terapia génica era inferior al 50%. Al comparar las fotografías del fondo de ojo del ojo no tratado y el tratado, se identificó fácilmente una marcada preservación de la vascularización en el área que fue cubierta por la terapia génica. Las imágenes OCTA se procesaron con el programa AngioTool, y la evaluación cualitativa de las imágenes esqueletizadas mostró una regresión vascular en el ojo no tratado y una notable preservación de la integridad vascular en el ojo tratado. También demostramos que en estas enfermedades naturales, así como en un modelo de degeneración aguda de fotorreceptores inducido por la luz, el DCP se ve afectado antes que los otros plexos vasculares de la retina. La posterior disminución de la VD en el SVP+ICP que se produce en las últimas fases de la degeneración, es probablemente una respuesta al marcado adelgazamiento de la retina externa y a la capacidad de que el oxígeno transportado por los vasos coroideos llegue a las localizaciones internas de la retina, como se ha confirmado previamente en modelos animales felinos utilizando perfiles espaciales de oxigenación de la retina.

Diabetic retinopathy is an ischemic retinal neovascular disease causing vision loss among adults. The studies presented involve the design and testing of a gene therapy vector to inhibit retinal revascularization, similar to that found in diabetic retinopathy. Gene therapy has proven to be an effective method to introduce therapeutic proteins to treat retinal diseases. Targeting a specific cell type and expression of therapeutic proteins according to the tissue microenvironment should have an advantage over traditional gene therapy by avoiding unwanted transgene expression. Hypoxia plays a significant role in the pathophysiology of many retinal ischemic diseases. Retinal Mèuller cells provide structural and functional support to retinal neurons, as well as playing a significant role in retinal neovascularization. Targeting Mèuller cells may be an effective strategy to prevent retinal neovascularization under pathological conditions. ... The hypoxia regulated, glial specific vector successfully reduced the abnormal neovascularization in the periphery by 93% and reduced the central vasobliterated area by 90%. A substantial amount of exogenous endostatin was produced in the retinas of P17 OIR mice. A significant increase in human endostatin protein and reduced vascular endothelial growth factor (VEGF) were identified by Western blot and ELISA, respectively. These findings suggest hypoxia-regulated, glial cell-specific scAAV mediated gene expression may be useful to prevent blindness found in devastating retinal diseases involving neovascularization. / by Manas Ranjan Biswal. / Thesis (Ph.D.)--Florida Atlantic University, 2012. / Includes bibliography. / Mode of access: World Wide Web. / System requirements: Adobe Reader.

Retinal hypoxia is associated with many retinal diseases, such as diabetic retinopathy. Current retinal research suggests that retinal hypoxia appears prior to the onset of diabetic retinopathy. The preliminary association of retinal hypoxia to the early stages of diabetic retinopathy is stimulating the development of new technologies to measure the oxygen content of retinal tissue. Frequency domain phosphoresence lifetime imaging (PLI) is a promising technology that enables the mapping of the oxygen content across the entire retina in the form of two-dimensional images. The two-dimensional images generated from the PLI process are a spatial mapping of the retinal tissue's oxygen tension. Currently, the phosphorescent based oxygen tension PLI measurements contain contaminating auto-fluorescent signals in addition to the desired phosphorescent signals. These auto-fluorescent signals artificially inflate the oxygen tension readings due to the nature of fluorescent signals in phosphorescent imaging. Additionally, the maps generated through PLI appear to contain oxygen tension information from both the retinal vasculature and the choroidal vasculature. The choroidal vasculature is situated directly behind the retina and can have a different oxygen tension value than the retinal vasculature. This research enhanced the PLI system by mathematically eliminating the contaminating auto-fluorescent signals and investigated the methods aimed at separating the PO2s of the retinal and choroidal vasculature beds. In addition, the application of the enhanced PLI technology to the investigation of retinal oxygen changes in a rat model of type I diabetes yielded results that suggest a hyperoxic to hypoxic trend prior to the onset of diabetic retinopathy.

The extent to which cortical maps may reorganize in adult humans is a significant and topical debate in visual neuroscience. Though there are conflicting findings, evidence from humans and animals indicates that the topography of the visual cortex may change after retinal deafferentation. Remarkably, this reorganization seems to be possible in adults, whose brains are less amenable to plastic change. If adult visual reorganization is legitimate, an understanding of its causes and consequences could be profound considering the millions suffering from age-related visual disorders. This dissertation explores whether visual training may yield a reorganization of sensory maps in the adult visual cortex. It describes research in which patients, diagnosed with age-related macular degeneration (AMD), underwent visual rehabilitation therapy. Functional brain scans and behavioral tests were conducted pre and post training. These interventions generated valuable knowledge regarding whether "reorganized" activity is a true rewiring of feed forward cortical processes or an artifact of attentional feedback. The rehabilitation training produced demonstrable differences in activation patterns along the primary visual cortex (V1), but sparse improvement in the behavioral tests. In contrast, there was significant improvement in fixation tests which assessed oculomotor control. These results suggest that the nature of reorganized activity has more to do with attentional mechanisms than feed forward reorganization. Future investigations could benefit from examining the brain sites that govern visual attention in the frontal and parietal cortices. These areas may have more to do with visual adaptation in AMD patients than V1.