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Purpose The expression of aquaporin-8 (AQP8), which plays a crucial role in the maintenance of the cellular fluid and electrolyte balance, was shown to be increased in RPE cells under hyperosmotic conditions. The aim of the present study was to investigate the mechanisms of hyperosmotic AQP8 gene expression and the localization of AQP8 in cultured human RPE cells. Methods Hyperosmolarity was produced with the addition of 100 mM NaCl or 200 mM sucrose. Hypoxia was induced by cell culture in a 0.2% O2 atmosphere or the addition of the hypoxia mimetic CoCl2. Oxidative stress was induced by the addition of H2O2. Gene expression was determined with real-time RT–PCR analysis. AQP8 protein localization and secretion of VEGF were evaluated with immunocytochemistry, western blotting, and enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA). Results Immunocytochemical and western blot data suggest that the AQP8 protein is mainly located in the mitochondria. Extracellular hyperosmolarity, hypoxia, and oxidative stress induced increases in AQP8 gene expression. Hyperosmotic AQP8 gene expression was reduced by inhibitors of the p38 MAPK and PI3K signal transduction pathways, and by JAK2 and PLA2 inhibitors, and was in part mediated by the transcriptional activity of CREB. Hyperosmotic AQP8 gene expression was also reduced by autocrine/paracrine interleukin-1 signaling, the sulfonylureas glibenclamide and glipizide, which are known inhibitors of KATP channel activation, and a pannexin-blocking peptide. The KATP channel opener pinacidil increased the expression of AQP8 under control conditions. The cells contained Kir6.1 and SUR2B gene transcripts and displayed Kir6.1 immunoreactivity. siRNA-mediated knockdown of AQP8 caused increases in hypoxic VEGF gene expression and secretion and decreased cell viability under control, hyperosmotic, and hypoxic conditions. Conclusions The data indicate that hyperosmotic expression of AQP8 in RPE cells is dependent on the activation of KATP channels. The data suggest that AQP8 activity decreases the hypoxic VEGF expression and improves the viability of RPE cells which may have impact for ischemic retinal diseases like diabetic retinopathy and age-related macular degeneration.

Purpose Osteopontin (OPN) is a neuroprotective factor in the retina that improves photoreceptor survival. The aim of the present study was to investigate whether human RPE cells express and respond to OPN. Methods Hypoxia and chemical hypoxia were induced by cell culture in 0.25% O2 and the addition of CoCl2, respectively. Hyperosmolarity was produced by the addition of 100 mM NaCl or 200 mM sucrose. Gene expression was quantified with real-time reverse transcription (RT)–PCR, and protein secretion was investigated with enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA). Nuclear factor of activated T cell 5 (NFAT5) was depleted with siRNA. Results The acutely isolated RPE cells and the cultured RPE cells expressed OPN. OPN gene expression was induced by hypoxia and hyperosmotic media, as well as by exogenous bFGF. High extracellular NaCl and hypoxia induced secretion of OPN. Hyperosmotic expression of the OPN gene was mediated by the p38 MAPK and ERK1/2 signal transduction pathways, and the transcriptional activities of CREB and NFAT5. The hypoxic expression of the OPN gene was mediated by the PI3K signal transduction pathway and caspase-mediated, necrosis-related pathways. Phospholipases A2 were involved in mediating hyperosmotic and hypoxic OPN gene expression. Autocrine or paracrine P2Y2 receptor signaling induced by extracellular ATP contributed to hyperosmotic expression of the OPN gene whereas activation of A1 receptors by extracellularly formed adenosine contributed to thypoxic OPN gene expression. Autocrine or paracrine VEGF signaling exerted an inhibitory effect on expression of the OPN gene. Exogenous OPN induced expression and secretion of bFGF, but not of VEGF. Conclusions The data indicated that RPE cells produce and respond to OPN; OPN expression is, in part, induced by the cellular danger signal ATP. RPE-derived neuroprotective factors such as bFGF may contribute to the prosurvival effect of OPN on photoreceptor cells.

Purpose Systemic hypertension is a risk factor for age-related neovascular retinal diseases. The major condition that induces hypertension is the intake of dietary salt (NaCl) resulting in increased extracellular osmolarity. High extracellular NaCl was has been shown to induce angiogenic factor production in RPE cells, in part via the transcriptional activity of nuclear factor of activated T cell 5 (NFAT5). Here, we determined the signaling pathways that mediate the osmotic expression of the NFAT5 gene in RPE cells. Methods Cultured human RPE cells were stimulated with high (+100 mM) NaCl. Alterations in gene and protein expression were determined with real-time reverse transcriptase (RT)-PCR and western blot analysis, respectively. Results NaCl-induced NFAT5 gene expression was fully inhibited by calcium chelation and blockers of inositol triphosphate (IP3) receptors and phospholipases C and A2. Blockers of phospholipases C and A2 also prevented the NaCl-induced increase of the cellular NFAT5 protein level. Inhibitors of multiple intracellular signaling transduction pathways and kinases, including p38 mitogen-activated protein kinase (MAPK), extracellular signal–regulated kinases 1 and 2 (ERK1/2), c-Jun NH2-terminal kinase (JNK), phosphatidylinositol-3 kinase (PI3K), protein kinases A and C, Src tyrosine kinases, and calpains, as well as cyclooxygenase inhibitors, decreased the NaCl-induced expression of the NFAT5 gene. In addition, autocrine purinergic signaling mediated by a release of ATP and a nucleoside transporter-mediated release of adenosine, activation of P2X7, P2Y1, P2Y2, and adenosine A1 receptors, but not adenosine A2A receptors, is required for the full expression of the NFAT5 gene under hyperosmotic conditions. NaCl-induced NFAT5 gene expression is in part dependent on the activity of nuclear factor κB (NF-κB). The NaCl-induced expression of NFAT5 protein was prevented by inhibitors of phospholipases C and A2 and an inhibitor of NF-κB, but it was not prevented by a P2Y1 inhibitor. Conclusions The data suggest that in addition to calcium signaling and activation of inflammatory enzymes, autocrine/paracrine purinergic signaling contributes to the stimulatory effect of hyperosmotic stress on the expression of the NFAT5 gene in RPE cells. It is suggested that high intake of dietary salt induces RPE cell responses, which may contribute to age-related retinal diseases.

Purpose The pathogenesis of age-related macular degeneration (AMD) is associated with systemic and local inflammation. Various studies suggested that viral or bacterial infection may aggravate retinal inflammation in the aged retina. We compared the effects of synthetic viral RNA (poly(I:C)) and viral/bacterial DNA (CpG-ODN) on the expression of genes known to be involved in the development of AMD in retinal pigment epithelial (RPE) cells. Methods Cultured human RPE cells were stimulated with poly(I:C; 500 µg/ml) or CpG-ODN (500 nM). Alterations in gene expression and protein secretion were determined with real-time RT–PCR and ELISA, respectively. Phosphorylation of signal transduction molecules was revealed by western blotting. Results Poly(I:C) induced gene expression of the pattern recognition receptor TLR3, transcription factors (HIF-1α, p65/NF-κB), the angiogenic factor bFGF, inflammatory factors (IL-1β, IL-6, TNFα, MCP-1, MIP-2), and complement factors (C5, C9, CFB). Poly(I:C) also induced phosphorylation of ERK1/2 and p38 MAPK proteins, and the secretion of bFGF and TNFα from the cells. CpG-ODN induced moderate gene expression of transcription factors (p65/NF-κB, NFAT5) and complement factors (C5, C9), while it had no effect on the expression of various TLR, angiogenic factor, and inflammatory factor genes. The activities of various signal transduction pathways and transcription factors were differentially involved in mediating the poly(I:C)-induced transcriptional activation of distinct genes. Conclusions The widespread effects of viral RNA, and the restricted effects of viral/bacterial DNA, on the gene expression pattern of RPE cells may suggest that viral RNA rather than viral/bacterial DNA induces physiologic alterations of RPE cells, which may aggravate inflammation in the aged retina. The data also suggest that selective inhibition of distinct signal transduction pathways or individual transcription factors may not be effective to inhibit viral retinal inflammation.

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Gegenstand dieser Arbeit war die Untersuchung von Raubtiernetzhäuten hinsichtlich ihrer zellulären Zusammensetzung in der Peripherie. Anhand der Neuron:Glia-Verhältnisse sollte festgestellt werden, ob alle Raubtiere ähnliche Zellverhältnisse in der Netzhaut aufweisen und welche funktionellen Besonderheiten daraus resultieren können. Es wurde nach Rückschlüssen gesucht auf allgemeine Regeln, nach welchen sich die Säugetiernetzhaut auch in der Peripherie abseits des zentralen scharfen Sehens in ihrer Funktion und Leistungsfähigkeit den Lebensbedingungen anpasst. Im Focus der Betrachtung stand dabei die Müller-Radialgliazelle mit den sie umgebenden Neuronen, welche gemeinsam als funktionelle Einheit in Form einer Zellsäule den Grundbaustein der Netzhaut darstellt. Bereits zuvor wurde bei diesen radiären Säulen eine nicht-stochastische Verteilung der Zellverhältnisse festgestellt, was bedeutet, dass die Anzahl der Neurone je Müllerzelle im Wesentlichen durch die Anzahl der Zellteilungen der späten Vorläuferzellen bestimmt wird und daher mit einer spezifischen Zunahme der Stäbchenanzahl verbunden ist. So wurde eine Korrelation der retinalen Zellverhältnisse mit der Art des vorherrschenden Photorezeptors bzw. der Lebensweise der betreffenden Spezies angenommen. Tagaktive Spezies waren in früheren Arbeiten durch oligozelluläre Netzhautsäulen aufgefallen, während sich nachtaktive Säugetiere durch zellreiche radiäre Säulen auszeichneten. Diese Ansätze sollten weiter verfolgt werden. Raubtiere sind für eine erfolgreiche Jagd auf eine rasche und präzise Wahrnehmung ihrer Umwelt angewiesen. Dabei kommt dem Sehsinn besondere Bedeutung zu. Dieser muss den Lebens- und Jagdgewohnheiten optimal angepasst sein. Räumliches Sehen und Entfernungseinschätzung sind dabei ebenso wichtig wie eine besonders gute Sehschärfe, ein großes Gesichtsfeld und das Erkennen von Formen und Bewegungen bei unterschiedlichsten Lichtverhältnissen. Bei dem Zusammenspiel verschiedener Komponenten, welche den Raubtieren zu einem optimalen Sehen bei Tag und Nacht verhelfen, nimmt die Netzhaut eine zentrale Rolle ein. Im Rahmen dieser Arbeit wurden 17 Vertreter von neun verschiedenen Raubtierspezies betrachtet. Dazu wurden Präparate ihrer Netzhäute verwendet, in welchen die Müller-Radialgliazellen immunhistochemisch durch ein Immunperoxidaseverfahren dargestellt worden waren, jeweils mit dem Primärantikörper α–GFAP, α–Glutaminsynthetase oder α–Vimentin V3B4. Die Gegenfärbung der Zellkerne erfolgte mit Haemalaun. Von diesen Präparaten wurden am Lichtmikroskop mit einer digitalen Kamera Bilder erstellt und im Computer gespeichert. Die morphometrische Auswertung der Aufnahmen erfolgte mit der Software analySIS pro 5.0. Auf diese Weise konnten die Zelldichten in der Netzhaut bestimmt und die zelluläre Zusammensetzung der retinalen Säulen als Zahlenverhältnis von Neuronen je Gliazelle dargestellt werden. Anhand der ermittelten Ergebnisse lassen sich zur vorliegenden Arbeit folgende wesentliche Aussagen treffen: 1. Unter Berücksichtigung der präparationsbedingten Gewebeschrumpfung liegt die Dichte der Müllerzellen etwa zwischen 8.000 – 14.000 Zellen/mm², die der Photorezeptoren im Wesentlichen bei 200.000 – 500.000 Zellen/mm². 2. Die Dichte der Müllerzellen ist zwischen den Arten relativ konstant und unabhängig von der Dichte der Neuronen in der Netzhaut. 3. Je Müllerzelle ist weniger als eine Ganglienzelle zu finden, in der inneren Körnerschicht sind einer Müllerzelle etwa drei bis sechs Neuronen zuzuordnen. In der äußeren Körnerschicht liegen annähernd 22 bis 42 Photorezeptoren pro Müllerzelle vor. Insgesamt findet sich ein Zellverhältnis von ca. 30 – 50 Netzhautneuronen je Müllerzelle. 4. Es wird ersichtlich, dass die radiären Säulen in der mittleren Netzhautperipherie eine vergleichsweise hohe Zellzahl aufweisen. Dabei ist in erster Linie die große Anzahl an Photorezeptorzellen maßgeblich. 5. Innerhalb der Ordnung der Raubtiere ist anhand der vorliegenden Ergebnisse keine Unterscheidung zwischen den einzelnen Spezies oder zwischen der Familie der Felidae und der Canidae anhand der Neuron:Glia-Verhältnisse in der Netzhautperipherie möglich. 6. Die gefundenen Zellzahlenverhältnisse zeigen eine starke Konvergenz bei der Signalverarbeitung in der mittperipheren Netzhaut an. Dies lässt auf eine hohe Lichtempfindlichkeit im peripheren Gesichtsfeld auf Kosten der Sehschärfe in diesem Bereich schließen. 7. Alle untersuchten Raubtiere teilen die Eigenschaft der Nachtaktivität bzw. teilweise der Dämmerungsaktivität und alle weisen multizelluläre radiäre Säulen in der peripheren Netzhaut auf. Dies unterstützt die Hypothese, dass die Zusammensetzung der Netzhautsäulen neben der Verwandtschaft ganz wesentlich aus der Lebensweise der Säugetiere resultiert. 8. Für die Nutzung von Boden oder Bäumen als Jagd-/ Lebensraum ließ sich bei den untersuchten Raubtieren hingegen kein Zusammenhang mit einer entsprechenden Spezialisierung der peripheren Netzhaut finden. Die ermittelten Ergebnisse ergänzen die vorhandene Datenlage in der Literatur hinsichtlich der zellulären Verhältnisse in der mittleren Netzhautperipherie von Raubtieren. Dies mag als Basis für künftige Untersuchungen sowie Vergleiche zwischen den Ordnungen dienen. Abschließend werden in dieser Arbeit Überlegungen angestellt zu medizinischen Gesichtspunkten und Forschungsbestrebungen bei der Erkrankung von Auge und Netzhaut, und in wie weit dem wachsenden Wissen um die Müller-Radialgliazelle dabei eine tragende Rolle zufallen kann.