Oxygen induced retinopathy in the neonatal rat: the effects of age, strain and therapeutic intervention on retinal structure and function

Abstract

Retinopathy of prematurity (ROP) is a potentially blinding retinal disorder that affects small prematurely born infants which results from the combination of the immature retina and the high level of oxygen (hyperoxia) needed to keep these infants alive. A rat model of oxygen induced retinopathy (OIR) was developed to better understand what occurs in premature infants that are exposed to postnatal hyperoxia and previous studies have demonstrated that this model bears a striking resemblance to the human form of ROP, at least in its vascular component. The purpose of this study was to investigate beyond the retinal vasculature in order to better understand the functional [electroretinogram (ERG)] and cytoarchitectural (histology and immunohistochemistry) manifestations of this disease.While structural and functional consequences of OIR in the albino rat had previously been evaluated in mature rats (at postnatal days 30 and 60, for example), the sequence of events leading up to these changes could only be inferred. Consequently, the purpose of our first study was to further characterize the early manifestations of this disease process, namely: 1- to evaluate changes in retinal vasculature throughout exposure to hyperoxia and, 2- to examine how early after the cessation of oxygen exposure we can demonstrate changes in retinal structure and function. Findings suggest that while the vascular growth process could repair itself while still subjected to a hyperoxic environment (from P0-12 and P0-14, for example), irreversible changes in retinal ultrastructure and function could still be evidenced, and are documented immediately following the cessation of the hyperoxic regimen (Dorfman et al., 2008).It has been suggested that free radicals may be the source of the pathologic effects described above. Given that trolox C, a water-soluble analogue of vitamin E, was previously shown to limit the vasculopathy component of OIR, the aim of our next study was to determine whether it could prevent the functional and structural consequences of OIR. While trolox C could limit the damage intrinsic to the rat model of OIR, it could not entirely prevent it from occurring. This suggests that either OIR is not solely caused by the action of free radicals or that trolox C is inadequate in treating all aspects of OIR (Dorfman et al., 2006).We next sought to compare our findings using trolox C with those obtained using the pigmented Long Evans (LE) rat in which melanin is thought to play an antioxidant role. Our results show that melanin did not exert the predicted protective effect on retinal structure and function, where LE rats were affected earlier on and more drastically than albino Sprague Dawley rats following hyperoxic exposure (Dorfman et al., 2009). Specific markers for rod and cone bipolar cells (PKC-α and recoverin, respectively), amacrine cells (parvalbumin) and horizontal cells (calbindin) reveal that OIR is primarily an inner retinal disorder, the earliest consequences of which include cell death in the inner retina (TUNEL staining) and synaptic retraction in the OPL (synaptophysin) (Dorfman et al., in preparation).Collectively, our results suggest that the rat model of OIR is not only useful for studying retinal vasculature, but can also be used to further elucidate the functional and structural sequelae that likely resemble the human form of ROP. Our ability to demonstrate persistant functional and cytoarchitectural damage despite vascular repair would suggest the importance of examining beyond the fundus in ROP patients, should these features also apply to humans. ROP is one of several types of proliferative retinopathies characterized by retinal ischemia followed by abnormal vessel growth. Studies such as these will undoubtedly be instrumental in a better understanding of these types of retinopathies and in the derivation of new therapeutic avenues aimed at controlling them.La rétinopathie du prématuré (RDP) est une maladie rétinienne qui potentiellement aboutie à la cécité des enfants de faible poids nés prématurément et qui est causée par la combinaison de l'immaturité de la rétine et du niveau élevé d'oxygène (hyperoxie) essentiel pour garder ces nouveau-nés en vie. Afin de mieux saisir l'effet de l'hyperoxie postnatale chez ces bébés prématurés, un modèle animal de rétinopathie induit par l'oxygène (RIO) a été développé chez le rat et a démontré une forte ressemblance à la forme humaine de la RDP, du moins dans sa composante vasculaire. Notre but était d'examiner au-delà de la vascularisation rétinienne afin de mieux comprendre les manifestations fonctionnelles [électrorétinogramme (ERG)] et cytoarchitecturelles (histologie et immunohistochimie) de cette maladie.L'évaluation antérieure de la fonction et de la structure rétinienne chez les rats albinos matures (par exemple à 30 et 60 jours postnatals) de la RIO a uniquement permis de déduire la chaîne d'évènements menant à ces changements. Par conséquent, la première étude consistait à caractériser les signes hâtifs de la RIO, pour: 1 - évaluer la vascularisation rétinienne durant l'exposition et, 2 - savoir quand, au plus tôt, après l'exposition les changements de structure et de fonction peuvent être observés. Les résultats suggèrent que la croissance vasculaire pourrait se restaurer durant le stress hyperoxique (expositions de P0-12 et de P0-14, par exemple), malgré la présence des changements irréversibles de l'ultrastructure rétinienne et sa fonction survenant immédiatement après la fin du régime hyperoxique (Dorfman et al., 2008).Les radicaux libres ont été suggérés d'être à l'origine des effets pathologiques décrits ci-dessus. Étant donné que trolox C, un analogue hydrosoluble de la vitamine E, a été démontré de limiter la composante vasculaire de la RIO, le but de l'étude suivante était de voir s'il pouvait aussi prévenir les séquelles fonctionnelles et structurelles. Nos résultats montrent que trolox C représente une alternative thérapeutique valide limitant les dommages, mais il n'empêche pas la totalité des dégâts rétiniens causés par l'oxygène. Ceci suggère que la RIO n'est pas juste provoquée par l'action des radicaux libres ou que le trolox C est inadéquat pour traiter tous les aspects de la RIO (Dorfman et al., 2006).Nous avons ensuite comparé nos résultats de trolox C à ceux obtenus avec le rat pigmenté Long Evans (LE) dans lequel la mélanine est présumée de jouer un rôle antioxydant. Nos données montrent que la mélanine n'exerce pas l'effet protecteur prévu sur la structure et la fonction de la RIO, où les rats LE ont été affectés plus tôt et plus gravement que les rats albinos Sprague Dawley suivant l'exposition à l'oxygène (Dorfman et al., 2009). Le marquage spécifique pour les cellules bipolaires de bâtonnet et de cône (PKC-α et recoverin, respectivement), les cellules amacrine (parvalbumine) et les cellules horizontales (calbindine) indiquent que la RIO est une maladie de la rétine interne définie par une mort cellulaire à ce niveau (TUNEL) et par la rétraction synaptique dans la couche plexiforme externe (synaptophsine) (Dorfman et al., manuscrit en préparation).En conclusion, nos résultats suggèrent que le modèle de rat de la RIO est non seulement utile pour étudier la vascularisation rétinienne, mais peut aussi être employé pour élucider les conséquences fonctionnelles et structurelles pouvant ressembler au modèle humain de la RDP. Notre capacité de démontrer les dégâts fonctionnels et cytoarchitecturels persistants en dépit de la réparation vasculaire suggérerait l'importance de l'examen approfondi chez les patients avec la RDP. La RDP est une forme des nombreuses rétinopathies prolifératives. Ces genres d'études seront certainement utiles pour une meilleure caractérisation de ces types de rétinopathies et dans la création de nouvelles méthodes thérapeutiques visant à mieux les contrôler