Nuove prospettive terapeutiche per la protezione della retina

Neuroprotection represents a challenge in the research and development (R&D) of drugs aimed to treat retinal degenerative diseases. Neuroprotective therapeutic strategies may address neuroinflammation since it is considered a crucial therapeutic target to control neurodegenerative processes. Retinal neurodegeneration has been linked to neurotrophins deprivation, such as brain-derived growth factor (BDNF) or nerve growth factor (NGF). Neuroprotective strategies may include neurotrophins administration or drug treatments able to increase neurotrophins expression. However, neurotrophins need to be delivered to the back of the eye and several efforts have been carried out to develop innovative eye drop formulations to deliver neurotrophins and other biologic drugs, without success so far. Thereby, R&D of drugs able to increase retinal neurotrophins expression may be a suitable strategy for retinal neuroprotection, taking into account that nanotechnological systems are potential able to provide sustained release of drugs on retinal tissue. Besides, a fast-track approach to develop molecules is the drug repurposing, which is aimed to identify and validate the efficacy of drugs already approved for different indications. Accordingly, this work of thesis was aimed to investigate the anti-inflammatory and neuroprotectanct activity of two already approved drugs in in vitro and in vivo models of retinal inflammation/neurodegeneration, that represent shared pathological features in glaucoma, age-related macular degeneration (AMD) and diabetic retinopathy (DR). Glaucoma is an optic neuropathy characterized by retinal ganglion cells (RGCs) degeneration, then leading to cell death and subsequent progressive vision loss. High intraocular pressure (IOP) is the main risk factor of glaucoma, which is cronically treated with ocular hypotensive eye drops. However, these pharmacological treatments do not target neurodegeration, and glaucoma generally progresses to blindness. As regard as AMD and DR, current treatments are targeting retinal neovascularization, although neurodegeneration and neuroinflammation are pathogenic mechanisms of these diseases, no neuroprotective strategies have been already approved for AMD and DR. Chapter I shows the results of the first study aimed to investigate the neuroprotective effect of brimonidine in a mice model of ischemia reperfusion (I/R) damage, which resembles glaucomatous neurodegeneration. Brimonidine is an α2 agonist drug appoved for the treatment of increased intraocular pressure in patients with open-angle glaucoma or ocular hypertension. In my study I demonstrated that brimonidine protected RGCs from retinal neuroinflammation induced by I/R. Moreover, brimonidine counteracted the downregulation of retinal BDNF mRNA levels in I/R eyes. These results demonstrated the anti-inflammatory and neuroprotective action of brimonidine. In Chapter II, the potential neuroprotective effect of caffeine has been investigated. Caffeine, one of the most consumed central nervous system (CNS) stimulants, is indicated for treatment of apnea, bronchopulmonary and hypoxic consequences, in preterm newborns. I investigated the effects of caffeine in in vitro and in vivo models of retinal inflammation/neurodegeneration, such as ARPE-19 exposed to lipopolysaccharide (LPS) challenge, and I/R injured mice. In these models, caffeine was able to reduce inflammation and increased BDNF mRNA levels. Additionally, caffeine restored the integrity of the retinal pigment epithelium (RPE) monolayer in vitro, as well as preserved RGCs function in mice, after eye topical administration. Indeed, my results showed the anti-inflammatory and neuroprotective action of caffeine in the retina suggesting an involvement of the adenosine A2A receptor (A2AR), since the selective A2AR agonist, CGS 21680, counteracted the caffeine effects in my in vitro model. In conclusion, brimonidine and caffeine exterted neuroprotective effects in models of retinal neurodegeneration, counteracting inflammation and neurotrophins deprivation. These findings are very promising because can open the way to further development and clinical trials.

La neuroprotezione rappresenta una sfida per la ricerca e lo sviluppo (R&D) di farmaci mirati al trattamento delle malattie retiniche degenerative. I processi neuroinfiammatori, considerati cruciali in questo tipo di patologie, sono target per le strategie terapeutiche neuroprotettive. La neurodegenerazione della retina è caratterizzata dalla deprivazione di neurotrofine, come il brain-derived growth factor (BDNF) o il nerve growth factor (NGF). Infatti, il trattamento con neurotrofine esogene o con farmaci che stimolano l’espressione di queste, rappresentano importanti strategie neuroprotettive. Le neurotrofine devono poter raggiungere la porzione posteriore dell’occhio, ma le formulazioni innovative sviluppate finora non hanno mostrato successo. Per questo motivo, l’utilizzo di farmaci che stimolano l’espressione delle neurotrofine nella retina rappresenta una valida strategia per la neuroprotezione retinica. Il “drug repurposing” è un approccio utile ad identificare e validare l’efficacia di farmaci già approvati per differenti indicazioni terapeutiche. Infatti, lo scopo di questa tesi è stato quello di valutare l’effetto anti-infiammatorio e neuroprotettivo di due farmaci, già approvati, in modelli in vitro ed in vivo di infiammazione/neurodegenerazione retinica. Questi processi sono caratteristici di patologie quali glaucoma, degenerazione retinica legata all’età (age-related macular degeneration, AMD) e retinopatia diabetica (diabetic retinopathy, DR). Il glaucoma è una neuropatia ottica caratterizzata dalla degenerazione dei neuroni retinici (retinal ganglion cells, RGCs) che determina cecità dei pazienti affetti. L’aumento della pressione intraoculare (IOP) è il principale fattore di rischio del glaucoma, ed è trattato con farmaci topici ipotensivi. Però, questi trattamenti farmacologici non curano la neurodegenerazione, motivo per il quale il glaucoma continua a progredire. Per quanto riguarda l’AMD e la DR, le terapie approvate sono volte al trattamento della neovascolarizzazione; la neurodegenerazione e la neuroinfiammazione rappresentano meccanismi patogenetici chiave anche in queste patologie, ma nessuna strategia terapeutica è stata approvata per contrastare questi processi. Il capitolo 1 mostra i risultati del primo studio in cui sono stati valutati gli effetti neuroprotettivi della brimonidina in un modello in vivo di danno retinico indotto da ischemia riperfusione (I/R), il quale rappresenta un modello sperimentale di glaucoma. La brimonidina è un agonista dei recettori adrenergici α2, approvata come farmaco ipotensivo nei pazienti con glaucoma ad angolo aperto e ipertensione oculare. Nel mio studio, ho dimostrato che la brimonidina protegge le RGCs dal danno neuroinfiammatorio indotto dall’I/R. Inoltre, la brimonidina contrasta la riduzione dell’espressione del BDNF causata dall’I/R. Dunque, questi risultati dimostrano l’effetto anti-infiammatorio e neuroprotettivo della brimonidina. Nel capitolo 2, ho investigato l’effetto neuroprotettivo della caffeina. La caffeina è uno degli stimolanti del sistema nervoso centrale (CNS) più diffuso, approvato per il trattamento dell’apnea nei prematuri. In particolare, ho valutato l’effetto della caffeina in modelli in vitro ed in vivo di infiammazione/neurodegenerazione retinica, quali ARPE-19 (cellule epiteliali retiniche umane) trattate con lipopolisaccaride (LPS) e topi sottoposti a danno retinico indotto da I/R. In questi modelli, la caffeina ha ridotto l’infiammazione ed ha determinato un aumento dei livelli di mRNA del BDNF. Inoltre, la caffeina ha ristabilito l’integrità della barriera cellulare, costituita dalle ARPE-19, fortemente compromessa in seguito al trattamento con LPS. Anche nel modello in vivo la caffeina ha dimostrato effetti protettivi, riducendo la perdita di funzionalità delle RGCs indotta dall’I/R. Quindi, i risultati del secondo capitolo dimostrano l’azione anti-infiammatoria e neuroprotettiva della caffeina nella retina, suggerendo inoltre il coinvolgimento del recettore adenosinico A2A (A2AR). Infatti, l’agonista selettivo A2AR, ovvero CGS21680, ha contrastato significativamente gli effetti della caffeina nel modello in vitro. In conclusione, questa tesi dimostra che la brimonidina e la caffeina esercitano un’azione neuroprotettiva in modelli di neurodegenerazione retinica, contrastando l’infiammazione e riducendo la deprivazione delle neurotrofine. Queste nuove evidenze scientifiche rappresentano promettenti strategie per ulteriori studi e trial clinici, mirati alla terapia di patologie retiniche neurodegenerative.