Age-related macular degeneration (AMD) is an eye disease, which causes impaired vision that can lead to blindness. The incidence of AMD increases with age. Retinal pigment epithelial (RPE) cells maintain retinal homeostasis and support the functionality of photoreceptors. In the pathogenesis of AMD, the degeneration of the RPE cells precedes photoreceptor cell death. RPE cells are susceptible to oxidative stress, and chronic inflammation involving nucleotide-binding domain, leucine-rich repeat and pyrin domain 3 (NLRP3) inflammasome activation and impaired autophagy are challenges faced by aged RPE cells in AMD. There are two types of AMD, dry (85-90%) and wet (10-15%) disease forms. Choroidal neovascularization is typical for wet AMD, and anti-vascular endothelial growth factor (anti-VEGF) injections are used to prevent the progression of the disease but there is no curative treatment. There is no cure for the dry disease form, but antioxidants have been proposed as a potential treatment option. Ageing is the most important risk factor of AMD, and tobacco smoke is the most important environmental risk factor that can be controlled. Hydroquinone is a cytotoxic, immunotoxic, carcinogenic and pro-oxidative component of tobacco smoke. The aim of this PhD thesis was to study hydroquinone-induced oxidative stress and NLRP3 inflammasome activation in human RPE cells (ARPE-19 cells). An age-related eye disease study (AREDS) formulation (incl. omega-3 fatty acids, vitamin C and E, copper, zinc, lutein and zeaxanthin), which is clinically investigated p.o. dosing combination of dietary supplements for AMD patients, has been evaluated as a possible treatment and restraining option for AMD. Resvega (4.1.1, Table 2) is a similar kind of product to AREDS with added resveratrol, and many of the components incorporated within Resvega can be considered as belonging to the normal antioxidative defence system of the retina. Another aim was to evaluate the effects of Resvega on hydroquinone-induced oxidative stress or NLRP3 inflammasome activation induced by impaired protein clearance. The results of this study reveal that hydroquinone elevated the activity of NADPH oxidase which subsequently mediated the production of reactive oxygen species (ROS) and predisposed RPE cells to degeneration by reducing levels of vascular endothelial growth factor (VEGF) and pigment epithelium-derived factor (PEDF). Hydroquinone induced an NLRP3-independent IL-18 release and NLRP3 accumulation inside the IL-1α-primed cells. Resvega treatment reduced the extent of hydroquinone-induced ROS production and NLRP3 inflammasome activation evoked by impaired protein clearance. Thus, Resvega alleviated hydroquinone- and impaired protein clearance-induced stress in human RPE cells, but more studies are needed, for example, to reveal the most optimal route of administration for targeting the cells in the retina, since both oxidative stress and NLRP3 inflammasome activation are important contributors to the development of AMD and represent significant treatment targets.
Silmänpohjan ikärappeuma (age-related macular degeneration, AMD) on silmäsairaus, joka aiheuttaa näön heikkenemistä ja voi johtaa sokeuteen. AMD:n ilmaantuvuus lisääntyy eliniän pidentyessä. Verkkokalvon pigmenttiepiteelisolut (retinal pigment epithelial, RPE) ylläpitävät verkkokalvon tasapainoa ja tukevat näköreseptoreiden toimintaa. RPE-solujen rappeuma edeltää näköreseptorisolukuolemaa AMD:n patogeneesissä. RPE-solut ovat alttiita hapetusstressille ja krooninen tulehdus yhdistettynä NLRP3 (nucleotide-binding domain, leucine-rich repeat and pyrin domain 3, NLRP3) aktivaatioon sekä heikentynyt autofagia ovat ikääntyneiden RPE-solujen haasteita AMD:ssä. AMD:tä on kahta tyyppiä, kuiva (85-90%) ja kostea (10-15%) tautimuoto. Suonikalvon uudissuonittuminen on tyypillistä kostealle AMD:lle, ja vaikka tautiin ei kuitenkaan ole parantavaa hoitoa, anti-VEGF-injektioita (anti-vascular endothelial growth factor, anti-VEGF) käytetään estämään sen etenemistä. Kuivaankaan tautimuotoon ei ole tehokasta hoitokeinoa, mutta antioksidantteja on ehdotettu mahdolliseksi vaihtoehdoksi. Ikääntyminen on AMD:n tärkein riskitekijä, ja tupakansavu on tärkein kontrolloitavissa oleva ympäristöriskitekijä. Hydrokinoni on tupakansavun sytotoksinen, immunotoksinen, karsinogeeninen ja pro-oksidatiivinen komponentti. Tämän väitöskirjan tavoitteena oli tutkia hydrokinonin aiheuttamaa hapetusstressiä ja NLRP3-tulehdusaktivaatiota ihmisen RPE-soluissa (ARPE-19 solut). Ikään liittyvää silmätautitutkimuksen (the age-related eye disease study, AREDS) formulaatiota (sis. omega-3 rasvahappoja, C- ja E-vitamiinia, kuparia, sinkkiä, luteiinia ja kseaksantiinia) on tutkittu mahdollisena AMD:n hoito- ja hillitsemisvaihtoehtona suun kautta annosteltuna ravintolisävalmisteena kliinisissä tutkimuksissa. Resvega (4.1.1, taulukko 2) on edellä olevan formulaation kaltainen valmiste, jossa on lisänä resveratroli. Monet Resvegan komponentit kuuluvat verkkokalvon normaaliin antioksidantti puolustusjärjestelmään. Toinen tavoite oli tutkia Resvegan vaikutuksia hydrokinonin aiheuttamaan hapetusstressiin tai heikentyneen proteiini puhdistuman aiheuttamaan NLRP3-tulehdusaktivaatioon. Tämän opinnäytetyön tulokset osoittavat, että hydrokinoni indusoi NADPH-oksidaasivälitteistä happiradikaalien (reactive oxygen species, ROS) tuotantoa ja altisti RPE-solujen rappeumalle alentaessaan VEGF (vascular endothelial growth factor, VEGF) ja PEDF (pigment epithelium-derived factor, PEDF) tasoja. Hydrokinoni aiheutti NLRP3-riippumattoman IL-18:n vapautumisen ja NLRP3:n kertymisen IL-1α-pohjustettujen solujen sisälle. Resvega vähensi hydrokinonin aiheuttamaa ROS-tuotantoa ja heikentyneen proteiini puhdistuman aiheuttamaa NLRP3-tulehdusaktivaatiota. Siten Resvega lievitti hydrokinonin ja heikentyneen proteiini puhdistuman aiheuttamaa stressiä ihmisen RPE-soluissa, mutta lisää tutkimuksia tarvitaan mm. optimaalisen antoreitin selvittämiseen suoraan verkkokalvon soluihin kohdistaen. Sekä hapetusstressi että NLRP3-tulehdusaktivaatio ovat merkittäviä tekijöitä AMD:n kehittymisessä ja siten tärkeitä hoitokohteita.
Keywords: AMD; ARPE-19 cell; ARPE-19 solu; NLRP3; PEDF; ROS; RPE cell; RPE-solu; Resvega; VEGF; cytokines; hydrokinoni; hydroquinone; sytokiinit.
© 2022 Acta Ophthalmologica Scandinavica Foundation. Published by John Wiley & Sons Ltd.