Un mapa de resolución unicelular del epitelio pigmentario de la retina podría ayudar a desarrollar terapias precisas para las enfermedades degenerativas.

Las enfermedades degenerativas de la retina afectan a regiones específicas del epitelio pigmentario de la retina (EPR), lo que sugiere la presencia de subpoblaciones del EPR funcionalmente diferentes. Para identificar estas subpoblaciones en ojos humanos, se ha generado el primer mapa morfométrico completo del EPR con resolución unicelular mediante un software basado en inteligencia artificial. Se identificaron cinco subpoblaciones concéntricas del EPR, incluyendo un anillo de células del EPR con un área celular similar a la de la mácula en la periferia del ojo. Además, descubrimos que subpoblaciones específicas del EPR son diferencialmente susceptibles a enfermedades monogénicas y poligénicas de la retina. Los resultados obtenidos aquí permitirán estudiar las diferencias moleculares y funcionales del EPR responsables de las enfermedades regionales de la retina y ayudarán a desarrollar terapias celulares y genéticas precisas para enfermedades oculares degenerativas específicas.

Los investigadores han identificado diferencias claras entre las células que componen un tejido de la retina que es vital para la percepción visual humana. Los científicos del Instituto Nacional del Ojo (NEI) descubrieron cinco subpoblaciones de epitelio pigmentario de la retina (EPR), una capa de tejido que nutre y sustenta los fotorreceptores de la retina que detectan la luz. Mediante el uso de inteligencia artificial, los investigadores analizaron imágenes del EPR con resolución unicelular para crear un mapa de referencia que localiza cada subpoblación dentro del ojo. El informe de la investigación se publica en Proceedings of the National Academy of Sciences.

Estos resultados proporcionan un marco inédito para comprender las diferentes subpoblaciones de células del EPR y su vulnerabilidad a las enfermedades de la retina, así como para desarrollar terapias dirigidas a tratarlas.

Michael F. Chiang, M.D., Director del NEI

«Los hallazgos nos ayudarán a desarrollar terapias celulares y genéticas más precisas para enfermedades oculares degenerativas específicas», afirmó el investigador principal del estudio, el doctor Kapil Bharti, que dirige la Sección de Investigación Traslacional Ocular y de Células Madre del NEI.

La visión comienza cuando la luz incide en los fotorreceptores (conos y bastones) que recubren la retina en la parte posterior del ojo. Una vez activados, los fotorreceptores envían señales a través de una compleja red de otras neuronas de la retina que convergen en el nervio óptico antes de viajar a varios centros del cerebro. El EPR se encuentra debajo de los fotorreceptores en forma de monocapa, a una profundidad de una célula.

La edad y las enfermedades pueden provocar cambios metabólicos en las células del EPR que pueden desembocar en la degeneración de los fotorreceptores. El impacto de estos cambios en el EPR sobre la visión varía enormemente en función de la gravedad y del lugar de la retina en el que se encuentran las células del EPR. Por ejemplo, la Distrofia macular de inicio tardío (L-ORD) afecta principalmente a la retina periférica y, por tanto, a la visión periférica. La degeneración macular asociada a la edad (DMAE), una de las principales causas de pérdida de visión, afecta principalmente a las células del EPR en la mácula, que es crucial para la visión central.

Bharti y sus colegas trataron de determinar si existen diferentes subpoblaciones del EPR que pudieran explicar el amplio espectro de fenotipos de enfermedades de la retina.

El equipo utilizó la inteligencia artificial (IA) para analizar la morfometría de las células del EPR, es decir, la forma externa y las dimensiones de cada célula. Entrenaron a un ordenador utilizando imágenes del EPR marcadas con fluorescencia para analizar toda la monocapa del EPR humano de nueve donantes fallecidos sin antecedentes de enfermedades oculares importantes.

Se calcularon las características de la morfometría de cada célula del EPR, una media de unos 2,8 millones de células por donante; en total se analizaron 47,6 millones de células. El algoritmo evaluó el área de cada célula, la relación de aspecto (anchura y altura), la hexagonalidad y el número de células cercanas. Estudios anteriores habían sugerido que la función del EPR está ligada a la estanqueidad de las uniones celulares; cuanto más pobladas, mejor para indicar la salud celular.

Basándose en la morfometría, identificaron cinco subpoblaciones distintas de células del EPR, denominadas P1-P5, organizadas en círculos concéntricos alrededor de la fóvea, que es el centro de la mácula y la región más sensible a la luz de la retina. En comparación con el EPR de la periferia, el EPR de la fóvea tiende a ser perfectamente hexagonal y a estar situado de forma más compacta, con un mayor número de células cercanas.

Inesperadamente, descubrieron que la retina periférica contiene un anillo de células del EPR (P4) con un área celular muy similar al EPR de la mácula y sus alrededores.

«La presencia de la subpoblación P4 pone de relieve la diversidad dentro de la periferia de la retina, lo que sugiere que podría haber diferencias funcionales en el EPR que actualmente desconocemos», dijo el principal autor del estudio, el doctor Davide Ortolan, investigador de la Sección de Investigación Traslacional Ocular y de Células Madre del NEI. «Se necesitan estudios adicionales que nos ayuden a entender el papel de esta subpoblación».

A continuación, analizaron el EPR de personas fallecidas con DMAE. El EPR foveal (P1) tendía a estar ausente debido al daño de la enfermedad, y las diferencias entre las células de las subpoblaciones P2-P5 no eran estadísticamente significativas. En general, las subpoblaciones del EPR de la DMAE tendían a ser alargadas en relación con las células del EPR no afectadas por la DMAE.

Para probar aún más la hipótesis de que las diferentes degeneraciones de la retina afectan a subpoblaciones específicas del EPR, analizaron imágenes de autofluorescencia de fondo de ojo de campo ultra ancho de pacientes afectados por coroideremia, L-ORD o una degeneración de la retina sin causa molecular identificada. Aunque estos estudios se realizaron en un único momento, demostraron que diferentes subpoblaciones del EPR son vulnerables a diferentes tipos de enfermedades degenerativas de la retina.

«En general, los resultados sugieren que la IA puede detectar cambios en la morfometría de las células del EPR antes del desarrollo de una degeneración visiblemente aparente», afirma Ortolan.

Los cambios morfométricos relacionados con la edad también pueden aparecer en algunas subpoblaciones del EPR antes de que sean detectables en otras. Estos hallazgos ayudarán a fundamentar futuros estudios que utilicen tecnologías de imagen no invasivas, como la óptica adaptativa, que determinan las células de la retina con un detalle sin precedentes y que podrían utilizarse para predecir los cambios en la salud del EPR en pacientes vivos.

Imagen: Análisis morfométrico completo de una monocapa del EPR humano. (A) Imagen representativa de un montaje plano del EPR humano completo (rojo: faloidina). Se capturaron aproximadamente de 2 a 3,5 millones de células en unas 200.000 imágenes, proyectadas en un espacio bidimensional y agrupadas en mosaico. (B) Imagen representativa a mayor aumento de las células del EPR teñidas con faloidina (rojo). (C) REShAPE, una red neuronal convolucional en U (CNN), reconoce y segmenta los bordes de las células del EPR a partir de imágenes fluorescentes y analiza la morfometría de las células del EPR para todo el montaje plano del EPR humano. (Conv 3×3, convoluciones 3×3; ReLU, unidad de línea rectificada.) (D y E) Imagen generada por REShAPE para todo el montaje plano del EPR humano con los bordes celulares segmentados para cada célula del EPR (D) y una imagen representativa de mayor aumento (E). (F) Representación esquemática de cuatro parámetros de morfometría celular distintos (área celular, AR, puntuación de hexagonalidad y número de vecinos) utilizados para el análisis de la forma de las células del EPR, con ejemplos específicos resaltados. (G, I, K y M) Las imágenes planas del EPR humano segmentadas por REShAPE y codificadas por colores para el área celular, el RA, la puntuación de hexagonalidad y el número de vecinos ilustran las métricas de forma de las células individuales del EPR en los ojos humanos. Los mapas de calor en la esquina superior izquierda de cada imagen muestran el rango de valores utilizados para estos cuatro parámetros de morfometría. Cabeza de flecha, fóvea; *, nervio óptico; flecha, anillo periférico de pequeñas células del EPR. (H, J, L y N) Las imágenes ampliadas con código de colores muestran las métricas de forma del EPR a nivel de célula única.

Davide Ortolan Ruchi Sharma Andrei Volkov Arvydas Maminishkis Nathan A. Hotaling Laryssa A. Huryn Catherine Cukras Stefano Di Marco Silvia Bisti Kapil Bharti 

Traducción: Asociación Mácula Retina

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