In Vitro Modeling of the Blood–Retinal Barrier: Investigating the Role of Pericyte-Like Adipose-Derived Mesenchymal Stem Cells and the Application of an iBRB on-a-Chip System [Modello in vitro di barriera emato-retinica umana: effetti delle cellule staminali mesenchimali adipose differenziate verso un fenotipo pericitico e applicazione di un sistema iBRB on-a-chip]

Diabetic retinopathy (DR) is characterized by dysfunction of the inner blood-retinal barrier (iBRB), driven by hyperglycemia-induced inflammation, oxidative stress, and pericyte loss. This thesis investigates the therapeutic potential of adipose-derived stem cells (ASCs) and pericyte-like differentiated ASCs (P-ASCs) in counteracting iBRB damage. Compared with undifferentiated ASCs, P-ASCs exhibited enhanced pericytic features and a superior ability to protect retinal endothelial cells under high-glucose conditions. P-ASCs preserved barrier integrity by maintaining TEER values and sustaining the expression of junctional proteins VE-cadherin and ZO-1. They also attenuated the expression of pro-inflammatory and angiogenic mediators (TNF-α, IL-1β, VEGF, MMP-9) and reduced activation of the ERK1/2-cPLA2-COX-2 axis. Additionally, P-ASCs strengthened antioxidant responses through increased Nrf2 nuclear translocation and HO-1 upregulation. To complement 2D findings, an iBRB-on-a-chip model was used to recapitulate retinal microvasculature. Endothelial cells alone failed to form perfusable networks, whereas tri-cultures with pericytes and astrocytes generated stable, lumenized microvascular structures. Donor-dependent differences in pericyte performance strongly influenced network formation and perfusability. Overall, P-ASCs emerged as a promising cell-based approach for preserving iBRB integrity and mitigating early vascular alterations in DR, providing a foundation for future translational and microphysiological studies.

La retinopatia diabetica (DR) è caratterizzata dalla disfunzione della barriera emato-retinica interna (iBRB), indotta da iperglicemia persistente, infiammazione, stress ossidativo e perdita di periciti. Questa tesi esplora il potenziale terapeutico delle cellule staminali derivate dal tessuto adiposo (ASCs) e delle ASCs differenziate verso un fenotipo pericitico (P-ASCs) nel contrastare il danno alla iBRB. Rispetto alle ASCs indifferenziate, le P-ASCs hanno mostrato caratteristiche pericitiche più marcate e una maggiore capacità di proteggere le cellule endoteliali retiniche in condizioni di alto glucosio. In particolare, le P-ASCs hanno preservato l’integrità di barriera mantenendo i valori di TEER e l’espressione delle proteine giunzionali VE-caderina e ZO-1. Inoltre, hanno attenuato l’espressione di mediatori pro-infiammatori e pro-angiogenici (TNF-α, IL-1β, VEGF, MMP-9) e ridotto l’attivazione dell’asse infiammatorio ERK1/2-cPLA2-COX-2. Parallelamente, hanno potenziato la risposta antiossidante aumentando la traslocazione nucleare di Nrf2 e promuovendo la sovraregolazione di HO-1. Per integrare i risultati ottenuti nei modelli 2D, è stato utilizzato un sistema iBRB-on-a-chip, capace di ricostruire in vitro la microvascolarizzazione retinica. In questo modello, le sole cellule endoteliali non hanno formato reti perfusibili, mentre la tri-coltura con periciti e astrociti ha generato strutture microvascolari stabili e lumenizzate. Inoltre, è emerso che la variabilità donatore-dipendente dei periciti influenza in modo significativo la formazione e la funzionalità delle reti vascolari. Nel complesso, le P-ASCs si confermano una promettente strategia cellulare per preservare l’integrità della iBRB e contrastare i primi danni microvascolari della DR, ponendo le basi per futuri sviluppi terapeutici e per studi microfisiologici più avanzati.