Influence of photoreceptors without function on the anatomy of the retina - A light and electromicroscopical study on the CNGA3-/-Rho-/- mouse

Netzhauterkrankungen, wie Retinitis pigmentosa, sind in der Bevölkerung weit verbreitet (1,5 Millionen weltweit). Gewöhnlich berichten die Betroffenen über Nachtblindheit und periphere Gesichtsfeldausfälle. Häufig führt diese Erkrankung, die durch eine fortschreitende Degeneration von Photorezeptoren verursacht wird, zur vollständigen Erblindung. Bisher beschrieb man den pathologischen Prozess vor allem an rd-Mäusen. Allerdings setzt bei diesen die Degeneration sehr früh ein. Somit ist die Übertragbarkeit auf den Menschen erschwert, da abgesehen von wenigen Ausnahmen, der Verlust von Photorezeptoren hier erst im zweiten Lebensabschnitt beginnt. Deshalb war es interessant, im Rahmen dieser Arbeit anhand der CNGA3-/-Rho-/- Maus ein Modell zu untersuchen, das ähnlich dem menschlichen System, zunächst eine intakte Morphologie zeigt. Dadurch war es möglich eine genaue zeitliche Abfolge der Degeneration zu dokumentieren. Dies kann medizinisch zur Entwicklung eines Therapieansatzes genutzt werden, der bereits zu Beginn der Degeneration greift, und damit den fortlaufenden Prozess zum Stillstand bringen kann. Die CNGA3-/-Rho-/- Maus repräsentiert ein System funktionsloser Photorezeptoren, bei dem der zyklische Nukleotid-Kanal (CNGA3) der Zapfenaußensegmente und das Rhodopsin (Rho) der Stäbchenaußensegmente ausgeschaltet wurde. Bestätigt wurde dies durch ein Elektroretinogramm mit einer negativen Photoantwort bezüglich Zapfen und Stäbchen. Die Degeneration führt zu einem vollständigen Verlust aller Photorezeptoren nach drei Monaten (Pm3). Zum Zeitpunkt Pw4 konnte, vergleichbar dem Wildtyp, eine intakte äußere Retina nachgewiesen werden, bei der lediglich die äußeren Stäbchensegmente fehlen. Die synaptischen Kontakte zwischen den Terminalien der Photorezeptoren, der Horizontalzellen und Bipolarzelldendriten waren normal entwickelt und Stäbchenendigungen als auch Zapfenendfüßchen bildeten funktionelle Triaden aus. Bei den Stäbchenendigungen konnte mit zunehmender Degeneration (Pw5, Pw6) eine Akkumulation synaptischer Bänder und postsynaptischer Elemente beobachtet werden. Im Zeitraum Pw4-7 zeigten sowohl die Zapfen, als auch die Horizontalzellen und Stäbchen-Bipolarzellen, eine bemerkenswerte strukturelle Plastizität. Obwohl durch die Photorezeptoren kein Lichtsignal vermittelt wurde, konnten präsynaptische Marker (bassoon) und postsynaptische Glutamatrezeptoren (GluR1, mGluR6) an den Photorezeptorterminalien nachgewiesen werden. Dies lässt die Vermutung zu, dass eine Transmitterfreisetzung theoretisch möglich wäre. Darüber hinaus konnte im Zeitraum von 12 Monaten keine nennenswerte Auswirkung auf die IPL beobachtet werden: Amakrin- und Zapfen-Bipolarzellen waren normal stratifiziert und die Expression der Transmitter-Rezeptoren zeigte ein charakteristisches Verteilungsmuster. Außerdem war die Ultrastruktur von konventionellen und Bandsynapsen der des Wildtyps vergleichbar. Darüber hinaus bildeten sowohl Amakrinzellen, als auch Bipolar- und Ganglienzellen, Fortsätze in die INL hinein. Allgemein zeigt die immunhistochemisch und ultrastrukturell untersuchte CNGA3-/-Rho-/- Maus, dass weder funktionell aktive Photorezeptoren noch Licht eine stimulierende Wirkung auf die Ausbildung synaptischer Strukturen und die Expression verschiedener Rezeptoren haben.Retinopathies such as retinitis pigmentosa affect about 1,5 million people worldwide. Patients usually suffer from night blindness and loss of mid-peripheral visual field caused by a continual degeneration of photoreceptors often leading to a complete loss of sight. Up to now the pathology process of this desease has been described in retinal degeneration (rd) mice. However this degeneration starts at an early time point. It makes a comparison to the human system difficult, because with a few exceptions, photoreceptor degeneration starts in the second half of human life span. For this reason, the CNGA3-/-Rho-/- mouse system is chosen for this study. It shows an intact photoreceptor morphology in the first life span, comparable to humans. Thus it was possible to document the exact time course of the photoreceptor degeneration. This result can be useful for development of a medical therapy which can be applied at an early stage of degeneration and thus may stop the ongoing process in time. The CNGA3-/-Rho-/- represents a mouse system without functional photoreceptors (cyclic nucleotide-gated channel in cones (CNGA3) and the rhodopsin (Rho) in rods are knocked out). The lack of these functions was proven by electroretinography. Photoreceptor degeneration starts at postnatal week 4 progressing to an almost complete loss after 3 months (Pm3). In the early postnatal development at Pw4 the outer retina of the CNGA3-/-Rho-/- mouse shows an intact multi-layer ONL comparable to the wildtype, with the outer rod segments missing. In the CNGA3-/-Rho-/- retina the development of the synaptic contacts between photoreceptor terminals, horizontal cell processes, and bipolar cell dendrites appears normal until Pw4. Electron microscopy demonstrates rod spherules with one triad synapse and cone pedicles with multiple triad synapses comparable to the wildtype retina. At the age of Pw5 and Pw6 some of the surviving rod spherules show an increased number of synaptic ribbons and postsynaptic elements. In addition, second-order neurons such as cones, horizontal cells and rod bipolar cells demonstrate dramatic morphological modifications by sprouting at the age of Pw4-Pw7. Although there is no light input by photoreceptors, presynaptic markers and postsynaptic glutamate receptors are well expressed in the outer plexiform layer (OPL), suggesting that neurotransmission might take place. Moreover, the inner plexiform layer (IPL) seems not significantly affected at the age of twelve months: Both cone bipolar cells and amacrine cells are stratified normal and transmitter receptors show normal distribution: only rod bipolar cell axon terminals show alterations. The ultrastructure of conventional and ribbon synapses is comparable to the wildtype. In addition, amacrine, bipolar and ganglion cells sprout into the inner nuclear layer. In general, the immunocytochemical and ultrastructural analysis of the CNGA3-/-Rho-/- mouse indicates that neither functional photoreceptors nor light input have a stimulating effect on the expression of receptors and synaptic contacts