Das Retinale Pigmentepithel – Physiologie und Pathologie (German Edition) [2024 ed.] 3031350545, 9783031350542

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Alexa Karina Klettner Stefan Dithmar   Hrsg.

Das Retinale Pigmentepithel – Physiologie und Pathologie

Das Retinale Pigmentepithel – Physiologie und Pathologie

Alexa Karina Klettner · Stefan Dithmar (Hrsg.)

Das Retinale Pigmentepithel – Physiologie und Pathologie

Hrsg. Alexa Karina Klettner Klinik für Ophthalmologie, ChristianAlbrechts-Universität zu Kiel ­Universitätsklinikum Schleswig-­ Holstein, Campus Kiel Kiel, Schleswig-Holstein, Deutschland

Stefan Dithmar Augenklinik Wiesbaden, Helios HSK Wiesbaden, Akademisches ­Lehrkrankenhaus der Johannes ­Gutenberg Universität zu Mainz Wiesbaden, Deutschland

ISBN 978-3-031-35054-2 ISBN 978-3-031-35055-9  (eBook) https://doi.org/10.1007/978-3-031-35055-9 Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar. © Der/die Herausgeber bzw. der/die Autor(en), exklusiv lizenziert an Springer Nature Switzerland AG 2024 Übersetzung der englischen Ausgabe: „Retinal Pigment Epithelium in Health and Disease“ von Alexa Karina Klettner, © Springer Nature Switzerland AG 2020. Veröffentlicht durch Springer International Publishing. Alle Rechte vorbehalten. Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von allgemein beschreibenden Bezeichnungen, Marken, Unternehmensnamen etc. in diesem Werk bedeutet nicht, dass diese frei durch jedermann benutzt werden dürfen. Die Berechtigung zur Benutzung unterliegt, auch ohne gesonderten Hinweis hierzu, den Regeln des Markenrechts. Die Rechte des jeweiligen Zeicheninhabers sind zu beachten. Der Verlag, die Autoren und die Herausgeber gehen davon aus, dass die Angaben und Informationen in diesem Werk zum Zeitpunkt der Veröffentlichung vollständig und korrekt sind. Weder der Verlag noch die Autoren oder die Herausgeber übernehmen, ausdrücklich oder implizit, Gewähr für den Inhalt des Werkes, etwaige Fehler oder Äußerungen. Der Verlag bleibt im Hinblick auf geografische Zuordnungen und Gebietsbezeichnungen in veröffentlichten Karten und Institutionsadressen neutral. Planung/Lektorat: Elizabeth Pope Springer ist ein Imprint der eingetragenen Gesellschaft Springer Nature Switzerland AG und ist ein Teil von Springer Nature. Die Anschrift der Gesellschaft ist: Gewerbestrasse 11, 6330 Cham, Switzerland

Vorwort

Wenn man das Auge untersucht, kann man nicht umhin, von seiner Komplexität, seiner Funktionalität und seiner Schönheit fasziniert zu sein. Bei der Arbeit an der Retina ist die faszinierendste Zelle, zumindest unserer bescheidenen Meinung nach, das retinale Pigmentepithel (obwohl wir zugeben, dass Meinungen hier unterschiedlich sein können, schließlich neigen Forscher dazu, ihr eigenes Fachgebiet als das interessanteste Thema der Welt zu betrachten). Das retinale Pigmentepithel (RPE) hat viele Funktionen, viele Aspekte und viele Möglichkeiten, erforscht zu werden. Als diese Einleitung geschrieben wurde, hatte der Begriff „retinales Pigmentepithel“ 14.142 Treffer in PubMed. Wir sind uns bewusst, dass weder wir noch irgendein anderes Buch dem Wissen über diesen Zelltyp gerecht werden könnten, noch erheben wir den Anspruch, vollständig zu sein. Das letzte umfassende Buch über das retinale Pigmentepithel wurde jedoch vor mehr als 20 Jahren veröffentlicht, und wir verspürten den Drang und das Bedürfnis, ein Kompendium über das moderne RPE vorzustellen, wie es im 21. Jahrhundert erforscht wird. Wir haben das Buch in fünf verschiedene Aspekte unterteilt: (1) physiologische RPE-Funktion, (2) RPE bei Krankheiten, (3) RPE in der Diagnostik, (4) RPE in der Therapie und (5) RPE-Modelle, um die verschiedenen Aspekte der RPE-Forschung darzustellen. Im ersten Kapitel, „RPE-Histopathologie und Morphometrie,“ führen Szalai, Nickerson, und Grossniklaus in die Histologie, Morphologie, Verteilung und Topographie dieser Zellen ein, und vergleichen das physiologische Erscheinungsbild mit Veränderungen, die im Alter und darüber hinaus in pathologischen Zuständen wie altersbedingter Makuladegeneration, retinalen Dystrophien, proliferativen Retinopathien, mitochondrialen Erkrankungen und Tumoren zu sehen sind. Eine wichtige Eigenschaft des RPE ist seine Polarität und die damit verbundenen Funktionen. Rizzolo gibt einen Überblick über „RPE-Polarität und Barrierefunktion“, beschreibt die einzigartige Polarität des RPE (die als „verkehrt herum“ oder eher „richtig herum“ aufgrund der umgekehrten

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Membranpolarität betrachtet wird), erklärt die Blut-Retina-Schranke und ihre Reifung sowie die Struktur und Zusammensetzung von Tight Junctions, betont die Claudine und führt den Leser in die Methoden zur Analyse der Barrierefunktion ein. Schließlich wird der Zusammenbruch der Barriere in pathologischen Situationen, wie z. B. Ödemen, behandelt. Eine Hauptfunktion der polarisierten RPE-Zellen ist die Phagozytose abgestoßener Fotorezeptor-Außensegmentfragmente, die in diesem Band von Müller und Finnemann in ihrem Kapitel „RPE-Phagozytose“ behandelt wird. Die Autoren führen den Leser in die experimentellen Ansätze zur Untersuchung der Phagozytose in RPE-Zellen ein und geben Einblicke in die molekularen Mechanismen der Phagozytose, einschließlich der Erkennung und Bindung durch die RPE-Zellen, der daraus resultierenden Signalwege sowie der Verarbeitung und des Abbaus des phagozytierten Materials. Schließlich behandeln sie Defekte im Prozess und deren Bedeutung für retinale Erkrankungen. Um ihre Funktionen zu erfüllen, spielen Ionenkanäle eine wichtige Rolle in RPE-Zellen. In ihrem Kapitel „Ionenkanäle des retinalen Pigmentepithels“ führen Reichhart und Strauss den Leser in das Profil, die Funktion und die pathologische Rolle von Ionenkanälen ein. Sowohl der apikale als auch der epitheliale Transport werden behandelt, ebenso wie ihre Rolle bei der Pufferung von Ionen im subretinalen Raum. Ein weiteres wichtiges Thema ist die Rolle von Ca2+ -Signalgebung in der RPE-Funktion. Der vaskuläre endotheliale Wachstumsfaktor (VEGF) ist ein wichtiges Zytokin in Gesundheit und Krankheit in der Retina, wobei das RPE eine wichtige Quelle ist, wie in diesem Band von Klettner beschrieben. Das Kapitel „RPE und der vaskuläre endotheliale Wachstumsfaktor (VEGF)“ führt in VEGF und seine regulatorischen Mechanismen ein, gibt einen Überblick über seine Rollen in der Entwicklung, sowie in der erwachsenen und in der erkrankten Retina, und erläutert die regulatorischen Mechanismen unter verschiedenen Bedingungen, wie Hypoxie, oxidativer Stress, Entzündung und Hyperthermie. Das Kapitel „Die RPE-Zelle und das Immunsystem“ von Detrick und Hooks beschreibt die wichtige Rolle des RPE in der angeborenen Immunität der Retina. Bestandteile der angeborenen Immunität, wie Toll-like-Rezeptoren, Zytokine und Komplement, werden vorgestellt, und die Rolle des RPE in ihrer Interaktion mit Mikroglia, in der Immunregulation und in adaptiven Immunantworten wird beschrieben. Das RPE ist an der Entwicklung verschiedener Augenerkrankungen beteiligt. In ihrem Kapitel „Das RPE in der Myopie-Entwicklung“ beschreiben Zhang und Wildsoet die Rolle des RPE im Augenwachstum und der refraktiven Entwicklung, wobei sie die Veränderungen des RPE bei hoher Myopie und deren Rolle bei der Regulierung der Augengröße erläutern und auf die Rolle verschiedener Zytokine, Neurotransmitter und Ionenkanäle eingehen. Dik, Bastiaans und van Meurs befassen sich mit „Retinales Pigmentepithel bei proliferativen Erkrankungen,“ wobei der Schwerpunkt auf der molekularen Regulation des Beitrags des RPE zur proliferativen Erkrankung liegt. In ihrem Kapitel gehen sie nach einer Einführung in die Mechanismen

Vorwort

Vorwort

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der Fibrose in der Retina ausführlich auf die epithelial-mesenchymale Transition und die Beiträge des RPE zur Entzündung sowie zur Angiogenese ein. Im Kapitel „Retinales Pigmentepithel in Gesundheit und Krankheit: Reifung, Alterung und altersbedingte Makuladegeneration“ erläutern Ach, Tarau und Curcio die Entwicklung, Differenzierung und Transdifferenzierung des RPE und legen besonderen Wert auf Veränderungen in der Jugend und im Alter, wie sie im RPE auftreten und zu den Veränderungen führen, die bei der altersbedingten Makuladegeneration (AMD) beobachtet werden. Das Thema AMD weiterführend, beleuchten Kaarniranta, Salminen und Kauppinen die Rolle des RPE in der Pathologie der AMD im Kapitel „Retinales Pigmentepithel bei altersbedingter Makuladegeneration,“ wobei sie die Rolle von Proteasomen und lysosomaler Autophagie, OrganellenCrosstalk und Entzündung in der Entwicklung dieser Krankheit betonen. Ein anderer Aspekt wird von Schnabolk, Obert und Rohrer in ihrem Kapitel „Geschlechtsbedingte Unterschiede im retinalen Pigmentepithel und retinalen Erkrankungen“ behandelt. Die Autoren diskutieren die Bedeutung von Geschlechtshormonen und die Geschlechts- (und Geschlechter-) Unterschiede im Auge, in der RPE-Funktion und in retinalen Erkrankungen, mit einem besonderen Schwerpunkt auf Autoimmunerkrankungen. Die Rolle des RPE in der Diagnostik wird in zwei Kapiteln behandelt. Hassenstein und Grohmann beschreiben die Rolle des RPE in der optischen Kohärenztomographie, in der sie die verschiedenen Techniken der OCT vorstellen und auf das Erscheinungsbild des RPE bei verschiedenen Erkrankungen eingehen. Dithmar und Celik behandeln RPE-Autofluoreszenz in ihrem Kapitel, in dem sie die verantwortlichen Fluorophore und die bildgebenden Geräte vorstellen, die RPE-Autofluoreszenz sichtbar machen. Sie erläutern weiterhin die fluoreszierenden Signale in Gesundheit und Krankheit, die zum Verständnis von Krankheitsverlauf und Pathophysiologie beitragen können. Im nächsten Schritt können RPE-Zellen Teil der Therapie von Netzhauterkrankungen sein. Ein spannendes neues Gebiet ist das RPE und Stammzelltherapie, die von Skottman abgedeckt wird. Der Leser wird in die zellbasierte RPE-Therapie eingeführt und über die Unterschiede zwischen humanen pluripotenten und humanen embryonalen Stammzellen informiert. Hauptthemen sind die Differenzierung und Charakterisierung des stammzellabgeleiteten RPE und der aktuelle Stand der Transplantationsstudien, sowohl in präklinischen als auch in klinischen Studien. Ein weiteres spannendes Gebiet ist RPE und Gentherapie, in dem Stieger und Lorenz den aktuellen Stand und die weitere Richtung der RPE-basierten Gentherapie zusammenfassen, indem sie die verschiedenen Ansätze der Gentherapie und des Gentransfers vorstellen und die verschiedenen Gentherapien für erbliche Netzhauterkrankungen sowie erworbene Netzhautstörungen beschreiben. Die Rolle des RPE in der Lasertherapie wird von von der Burchard und Roider in ihrem Kapitel „RPE und Laser“ beschrieben. Die Autoren führen in die Physik der Laser-Gewebe-Interaktionen ein und erläutern die ver-

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Vorwort

schiedenen Konzepte der RPE-Laserbehandlung, wobei ein Hauptthema die selektive RPE-Behandlung ist. Im letzten Teil dieses Bandes konzentrieren wir uns auf das experimentelle Potenzial des retinalen Pigmentepithels in den verschiedenen Modellsystemen. Klettner führt den Leser in RPE-Zellkultur ein, beginnend mit einem kurzen historischen Überblick über verschiedene Modellarten und der Beschreibung der Herausforderungen der RPE-Zellkultur. Es wird ein Überblick über verschiedene RPE-Zelllinien gegeben, wobei deren Verwendung und Grenzen betont werden, und die Eigenschaften von primären fetalen und erwachsenen RPE-Zellen in Kultur werden diskutiert. Schließlich wird ein Ausblick auf aktuelle Kokultur- und 3D-Techniken gegeben. Im Kapitel „Organkultur des retinalen Pigmentepithels“ führt Miura uns zur nächsten Ebene der Komplexität. Nach einer Einführung in die Geschichte und Spendertierarten der RPE-Organkultur, werden dem Leser die verschiedenen Typen von Explantaten und Kultursystemen sowie die morphologischen Veränderungen während der verschiedenen Kultivierungsmethoden vorgestellt. Schließlich werden verschiedene Anwendungen der RPE-Organkultur in der Forschung beschrieben. In ihrem Kapitel stellen Fletcher und Mitarbeiter Tiermodelle für Erkrankungen des retinalen Pigmentepithels vor. Nach einer Einführung in die Funktion und Struktur des RPE beschreiben die Autoren mehrere Modelle für Netzhauterkrankungen, wie Retinitis pigmentosa, Lebersche kongenitale Amaurose, erbliche Makuladegenerationen, Melanin-assoziierte Störungen und altersbedingte Makuladegeneration. Darüber hinaus behandeln sie pharmakologische sowie transgene Modelle der RPE-Dysfunktion. Wir möchten allen Autoren für ihren Beitrag zu diesem Band und zum hochaktiven und vielseitigen Bereich der RPE-Forschung danken. Obwohl wir uns der Begrenzung eines gedruckten Bandes mit begrenztem Platz in dieser Zeit der Online-Publikationen und schnellen neuen Erkenntnissen bewusst sind, glauben wir, dass dieses Buch zu einem Kompendium für jeden RPE-Forscher werden kann, auf das jederzeit verwiesen werden kann. Wir hoffen, dass der Leser an dem Buch mindestens so viel Freude haben wird,  wie wir es bei der Zusammenstellung hatten! Wir möchten auch unseren jungen Forschern, Doktoranden, Postdoktoranden und Technikern für den ständigen Beitrag zur Forschung sowie unseren Familien für ihre Unterstützung für uns danken. Kiel, Deutschland Wiesbaden, Deutschland

Alexa Karina Klettner Stefan Dithmar

Inhaltsverzeichnis

Teil I  Physiologische RPE-Funktion 1

RPE-Histopathologie und Morphometrie. . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 Eszter Szalai, John M. Nickerson und Hans E. Grossniklaus

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RPE-Polarität und Barrierefunktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 Lawrence J. Rizzolo

3 RPE-Phagozytose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 Claudia Müller und Silvia C. Finnemann 4

Ionenkanäle des retinalen Pigmentepithels . . . . . . . . . . . . . . . . 71 Nadine Reichhart und Olaf Strauß

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RPE und der vaskuläre endotheliale Wachstumsfaktor (VEGF). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 Alexa Karina Klettner

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Die RPE-Zelle und das Immunsystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 Barbara Detrick und John J. Hooks

Teil II  Das RPE in Krankheit 7

Das RPE in der Myopie-Entwicklung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 Yan Zhang und Christine F. Wildsoet

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Retinales Pigmentepithel bei proliferativen Erkrankungen. . . 155 Willem A. Dik, Jeroen Bastiaans und Jan C. van Meurs

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Retinales Pigmentepithel bei altersbedingter Makuladegeneration. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179 Kai Kaarniranta, Antero Salminen und Anu Kauppinen

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10 Retinales Pigmentepithel in Gesundheit und Krankheit: Reifung, Alterung und altersbedingte Makuladegeneration. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191 Thomas Ach, Ioana-Sandra Tarau und Christine A. Curcio 11 Geschlechtsbedingte Unterschiede im retinalen Pigmentepithel und retinalen Erkrankungen . . . . . . . . . . . . . . 205 Gloriane Schnabolk, Elisabeth Obert und Bärbel Rohrer Teil III  Das RPE in der Diagnostik 12 RPE in SD-OCT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227 Andrea Hassenstein und Carsten Grohmann 13 RPE-Autofluoreszenz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259 Stefan Dithmar und Nil Celik Teil IV  Das RPE in der Therapie 14 RPE und Stammzelltherapie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275 Heli Skottman 15 RPE und Gentherapie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291 Knut Stieger und Birgit Lorenz 16 RPE und Laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309 Claus von der Burchard und Johann Roider Teil V  Experimentelle RPE-Modelle 17 Zellkultur des retinalen Pigmentepithels. . . . . . . . . . . . . . . . . . 325 Alexa Karina Klettner 18 Organkultur des retinalen Pigmentepithels. . . . . . . . . . . . . . . . 337 Yoko Miura 19 Tiermodelle von Erkrankungen des retinalen Pigmentepithels. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357 Erica L. Fletcher, Ursula Greferath, Philipp Guennel, Mario Huynh, Quan D. Findlay, Andrew I. Jobling, Joanna A. Phipps, Alice A. Brandli, Yao Mei Wang, Samuel A. Mills, Kiana Kakavand, Robb U. DeIongh und Kirstan A. Vessey

Inhaltsverzeichnis

Über die Herausgeber

Alexa Karina Klettner  studierte Biologie an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel und schrieb ihre Diplomarbeit am Forschungszentrum Borstel. Sie promovierte in Pharmakologie im Bereich Neuroprotektion und habilitierte in experimenteller Augenheilkunde, wobei sie sich mit Antagonisten des vaskulären endothelialen Wachstumsfaktors (VEGF) beschäftigte. Seit 2013 ist sie Professorin für experimentelle Retinologie an der Universität Kiel, Deutschland, und seit 2017 außerordentliche Professorin an der Universität Kairo, Ägypten. Ihre Hauptforschungsinteressen sind die zellulären Aspekte der Pathogenese und Therapie der altersbedingten Makuladegeneration (AMD), mit einem starken Fokus auf das retinale Pigmentepithel (RPE), Untersuchung der VEGFRegulation, Langzeitfolgen der retinalen Therapie, Interaktion des RPE mit dem angeborenen Immunsystem und Entwicklung neuer Therapeutika für AMD.

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Über die Herausgeber

Stefan Dithmar ist Professor für Augenheilkunde. Er studierte Medizin an den Universitäten Göttingen (Deutschland) und Heidelberg (Deutschland), in Großbritannien und den USA (Harvard Medical School, Boston MA). Seine Facharztausbildung in Augenheilkunde absolvierte er an der Universität Heidelberg. Anschließend arbeitete er als Forschungsstipendiat bei Professor H.E. Grossniklaus an der Emory Eye Clinic, Emory University (Atlanta, USA) und beschäftigte sich in zahlreichen Projekten mit dem hinteren Augenabschnitt. Er wurde Professor an der Universität Heidelberg und Leiter der Retina-Abteilung an der Universitäts-Augenklinik. Zu seinen Forschungsaktivitäten gehört die Gründung einer interdisziplinären Arbeitsgruppe mit Prof. Dr. C. Cremer, Kirchhoff-Institut für Physik, Universität Heidelberg, und die Weiterentwicklung der Methodik der strukturierten Beleuchtungsmikroskopie, angewendet auf das retinale Pigmentepithel. Seit 2014 ist er Direktor und Vorsitzender der Abteilung für Augenheilkunde, HSK-Wiesbaden, Universität Mainz (Deutschland).

Teil I

Physiologische RPE-Funktion

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RPE-Histopathologie und Morphometrie Eszter Szalai, John M. Nickerson und Hans E. Grossniklaus

Einleitung Retinales Pigmentepithel (RPE) ist eine einzelne Schicht aus hexagonalen/kuboidalen Epithelzellen, die die Neuroretina von der darunter liegenden Choroidea trennt. Diese Zellen sind in einem mosaikartigen Muster angeordnet. Regelmäßige hexagonale Zellmuster gelten als das stabilste und energetisch günstigste Zellarrangement [1–3]. Embryologisch ist das RPE ein neuroepitheliales Derivat. In der frühen Entwicklung differenziert sich das RPE aus dem Neuroektoderm der optischen Vesikel und wird später hochspezialisiert [4]. Die apikale Membran grenzt an die äußeren Segmente der Fotorezeptoren und die Interfotorezeptormatrix [5], die RPE Basallamina steht in engem Kontakt mit der inneren kollagenen Schicht der BruchMembran. Diese spezielle polarisierte Struktur ist für die ordnungsgemäße Entwicklung der E. Szalai (*) · J. M. Nickerson · H. E. Grossniklaus  Department of Ophthalmology, Emory University, Atlanta, GA, USA E-Mail: [email protected] J. M. Nickerson  E-Mail: [email protected] H. E. Grossniklaus  E-Mail: [email protected] E. Szalai  Department of Ophthalmology, University of Pecs, ­Medical School, Pecs, Hungary

Fotorezeptoren und Choroidea erforderlich und ermöglicht mehrere Funktionen der RPE-Zellen, wie das Absorbieren von gestreutem Licht zur Verbesserung der räumlichen Auflösung, das Recyceln von Sehpigmenten zur Sicherstellung der Lichtempfindlichkeit der Fotorezeptoren und den Transport von Nährstoffen und Metaboliten zwischen der Choriokapillaris und der neurosensorischen Retina [6]. Der Einfluss von RPE auf die Regulierung des Augenwachstums wurde auch durch die Übertragung von Signalen zwischen der Retina und der angrenzenden Choroidea und Sklera impliziert [7]. Tight Junctions zwischen benachbarten RPE-Zellen bilden die äußere Blut-Retina-Schranke, d. h. die Barriere zwischen dem subretinalen Raum und der Choriokapillaris. Die hochdynamischen zytoskelettalen Elemente der Plasmamembran und des Zytoplasmas ermöglichen Membranbeweglichkeit, intrazellulären Transport und mechanische Festigkeit der Zellen. RPE-Zellen zeigen topografische Unterschiede, und sie variieren auch innerhalb einer bestimmten Region aufgrund ihres Melaningranulagehalts [3]. Fehlfunktionierende RPE-Zellen können primär oder sekundär zu verschiedenen Krankheitsprozessen beitragen, einschließlich trockener und feuchter altersbedingter Makuladegeneration (AMD), proliferativer Vitreoretinopathie (PVR), zentraler und peripherer Retinadystrophien, mitochondrialer Erkrankungen und RPE-Neoplasien. Eine fortschreitende RPE-Dysfunktion und Zell-

© Der/die Autor(en), exklusiv lizenziert an Springer Nature Switzerland AG 2024 A. K. Klettner und S. Dithmar (Hrsg.), Das Retinale Pigmentepithel – Physiologie und Pathologie, https://doi.org/10.1007/978-3-031-35055-9_1

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E. Szalai et al.

verlust können zu einer sekundären Degeneration von Fotorezeptor-Stäbchen und -Zapfen führen, aufgrund der engen Beziehung zwischen dem RPE und den Fotorezeptorzellen und aufgrund des Verlusts von Barrierefunktionen.

Normale Histologie Normales menschliches RPE ist eine Monoschicht aus kuboidalen Zellen, in deren Zytoplasma Melaningranula (auch als Melanosomen bezeichnet) enthalten sind. Die Dicke dieser Schicht variiert je nach Lage und Alter, RPEZellen sind in der Makularegion etwa 14 μm hoch, während sie in der Peripherie deutlich kürzer werden [8]. Zahlreiche Mikrovilli der apikalen Membran erstrecken sich zu den äußeren Segmenten der Fotorezeptoren. Die Morphologie der polarisierten RPE-Schicht ist sichtbar durch Transmissionselektronenmikroskopie (TEM), in der Tight Junctions, apikale Mikrovilli, basale Einfaltungen, abgestoßene Fotorezeptoraußensegment-Scheiben, Melaningranula, Lipofuszin- und Melanolipofuszingranula beobachtet werden können (Abb. 1.1). Melanine sind komplexe Pigmentstrukturen in der Haut, Retina und im Uvealtrakt, die in Melanosomen synthetisiert werden. Es gibt zwei Zelltypen im a

Mikrovilli Scheiben abwurf

Melanosomen

Äußeres Segment des Photorezeptors

Auge, die Melanin produzieren: (1) Melanozyten im Uvealtrakt und (2) neuroepitheliale Zellen, wie Pigmentepithelzellen in der Iris, im Ziliarkörper und in der Retina. Es gibt erhebliche Unterschiede im Phänotyp der Melanosomen zwischen Haut, Uvealtrakt und Retina. Die RPE Melanosomen sind eher länglich oder patronenförmig, während Haut- und Choroidalmelanosomen eher rund sind [9]. 10]. Die basale Oberfläche einer RPE-Zelle grenzt an die Bruch-Membran, eine fünfschichtige komplexe Struktur mit mehreren Funktionen, die zwischen der Retina und Choroidea liegt. Die RPE-Basalmembran (basale Lamina) ist die innerste Schicht der Bruch-Membran mit einer durchschnittlichen Dicke von 0,15 μm bei jungen Individuen [11]. Die Struktur dieser Basalmembran ist nicht einzigartig, sie besteht aus Typ-IV-Kollagenen, Fibronektin, Laminin, Heparan, Chondroitin und Dermatansulfat [12]. Die basale Plasmamembran der RPE-Zellen ist von der Basalmembran getrennt und enthält mehrere Einfaltungen, um ihre Membranoberfläche für den benötigten Ionen-Transport zu erhöhen. Anterior gibt es weniger Einfaltungen, und sie sind am hinteren Pol stärker ausgeprägt, außer in der Nähe des Sehnervenkopfes, wo sie weniger ausgeprägt sind. Desmosom- und Hemidesmosom-ähnliche Strukturen sind in der ba-

b

Tight Junctions Phagosomen

Lipofuszin Mitochondrium

Basale Einfaltungen

Aderhaut

MelanoLipofuszin Nukleus Bruch'sche Membran

Abb. 1.1  Normale Anatomie einer RPE-Zelle in Bezug auf die umgebenden Strukturen. Transmissionselektronenmikroskopie-Foto einer RPE-Zelle bei einem 75-jährigen kaukasischen Mann. Melanosom (M), abgestoßene Fotorezeptoraußensegment-Scheibe (sPR), Lipofuszingranula (L), Melanolipofuszin (ML), Phagosom (P), Zellkern (N) sind zu sehen (3600×)

1  RPE-Histopathologie und Morphometrie

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salen Plasmamembran vorhanden, was zu einer engen Verbindung zwischen dem RPE und der Bruch-Membran führt [13]. In der lateralen Oberfläche sind Zonula occludens, Zonula adherens, Gap Junctions und gelegentliche Desmosomen vorhanden, um parazelluläre Permeabilität, zelluläre Integrität und Zell-Zell-Kontakt aufrechtzuerhalten. Zonula occludens oder Tight Junctions sind in der apikalen Hälfte der Zelle vorhanden und sind für die Aufrechterhaltung der äußeren Blut-Retina-Schranke verantwortlich. Für die Funktion der Na,K-ATPase wurde gezeigt, dass sie an der normalen Tight Junction-Struktur und Permeabilität in menschlichen RPE-Zellen beteiligt ist [14]. Zonula adherens oder Adherens Junctions sind mit einem reichen Netzwerk von Aktinfilamenten assoziiert. Sie haben mehrere Funktionen, indem sie zelluläre Motilität unterstützen, aber auch mechanische Festigkeit in Reaktion auf verschiedene intrazelluläre Signale bieten [15]. Die apikaa

len Mikrovilli erhöhen die Oberfläche und spielen bei speziellen Funktionen eine Rolle, wie der Phagozytose der abgestoßenen Fotorezeptoraußensegment-Scheiben, Bewegungen von Melaningranula aufgrund von Lichtexposition und Adhäsion an die neurosensorische Retina. Die apikale Oberfläche grenzt an den subretinalen Raum, die Mikrovilli verbinden sich und verzahnen sich mit den Fotorezeptoraußensegmenten. Lichtexposition führt dazu, dass die Pigmentgranula in die Mikrovilli wandern, um die Lichtmenge, die die Stäbchen und Zapfen erreicht, zu verringern [16–20]. Im Gegensatz dazu wandern die Pigmente unter skotopischen Bedingungen zurück zum Zellkörper, um mehr Licht auf die Fotorezeptoren zu lassen [16–20]. RPE-Zellen enthalten auch Lipofuszingranula, deren Menge im Laufe des Lebens aufgrund der Phagozytose der Außensegmente zunimmt. Es ist bekannt, dass RPE-Zellen große Unterschiede im Melanin- und Lipofuszin­ b

Neurosensorische Netzhaut

RPE Bruch's Aderhaut

c

d

Abb. 1.2  Normales histologisches Erscheinungsbild des menschlichen RPE in Bezug auf die neurosensorischen Retinaschichten und Bruch-Membran (Hämatoxylin und Eosin, 100×) (a). En face (Flachpräparat) Lichtmikrograph der hexagonalen RPE-Zellen (Hämatoxylin & Eosin, 250×) (b). Toluidinblau-Färbung der normalen RPE-Schicht, die die intrazellulären Pigmentgranula hervorhebt (150×) (c). Transmissionselektronenmikroskopie der RPE-Zellen mit normalen Zellorganellen (1900×) (d)

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granula-Gehalt aufweisen [3]. Es wurde vorgeschlagen, dass ein höherer Melaningehalt der RPE-Zellen möglicherweise vor der Bildung von Lipofuszingranula schützt [21, 22]. Eine der wichtigsten metabolischen Funktionen von RPE-Zellen besteht darin, phagozytierte Fotorezeptoraußensegment-Scheibenmembranen abzubauen, die sehr dicht gepackte Strukturen sind. Young und Bok beobachteten, dass täglich etwa 10  % der Außensegment-Scheiben entstehen [23], und der gleiche Anteil an AußensegmentScheiben wird täglich von den RPE-Zellen phagozytiert. Dies geschieht in einem zirkadianen Rhythmus, wobei Stäbchen-Außensegmente bei Tagesanbruch und Zapfen-Außensegmente bei Dämmerung verbraucht werden. Daher dauert es etwa 10 Tage, bis eine AußensegmentScheibe von ihrem proximalen Ort der Biosynthese bis zur distalen Spitze des Außensegments gelangt, wo sie vom RPE aufgenommen wird. Qualitative, morphologische Analyse von den RPE-Zellen wurde traditionell während der routinemäßigen histopathologischen Untersuchung in vitro durchgeführt (Abb. 1.2). In jüngerer Zeit sind nicht-invasive Bildgebungsverfahren in der Lage, die menschliche RPESchicht in vivo automatisch zu segmentieren [24–27]. Polarisationsempfindliche optische Kohärenztomographie (OCT) zeigt RPE-Zellkörper spezifisch in der optischen Biopsie der Retina [27]. Ein adaptives OptikScanning-Laser-Ophthalmoskop in Kombination mit Lipofuszin-Autofluoreszenz, DualWellenlängen-Bildgebung und Registrierung ist ein anwendbares Werkzeug zur Messung und Quantifizierung der RPE-Zellmorphometrie in vivo [28].

Zellmorphometrie Pleomorphismus, Polymegatismus Die Gesamtzahl der RPE-Zellen wurde bei gesunden menschlichen Augen zwischen 3,6 und

E. Szalai et al.

6,1 Millionen angegeben [29, 30]. Qualitativ sind sowohl das Altern als auch degenerative Netzhauterkrankungen nicht nur mit einem Rückgang der relativen Anzahl regelmäßiger hexagonaler RPE-Zellen und einer Zunahme der Variabilität der Form der RPE-Zelle und erhöhter Variabilität in der Anzahl der Seiten einer Zelle (Pleomorphismus) verbunden, sondern auch mit einer Zunahme der Variabilität der Zellfläche (Polymegatismus). Hexagonale Zellen sind am häufigsten (>50– 60 %) in der Fovea lokalisiert, und der Anteil der sechsseitigen RPE-Zellen nimmt von der Fovea zur peripheren Retina ab [28, 31]. Zellflächen sind bei älteren Augen (>80 Jahre alt) variabler als bei jüngeren (≤51 Jahre alt) [31]. Eine frühere Studie bestätigte eine Dominanz von hexagonalen Zellen nur in der jüngeren erwachsenen Fovea, wo fast 60 % der Zellen sechs Nachbarn hatten [31]. RPE-Zellen zeigen jedoch während des gesamten Lebens eine kontinuierliche Umgestaltung und Neuordnung, was darauf hindeutet, dass RPE-Zellen dazu neigen, eng miteinander verbunden zu bleiben, damit die äußere Blut-Retina-Schranke unter allen Umständen intakt bleibt. Eine Inter-RPE-Zell-Variabilität (Mosaikbildung) wurde in Tier- und Humanstudien beschrieben, die verschiedene Zelleigenschaften sowohl auf makroskopischer als auch auf molekularer Ebene beeinflussen [3]. Der Pigmentgranulagehalt variiert stark zwischen RPE-Zellen und dem Expressionsniveau bestimmter Proteine. Diese Heterogenität wird sowohl auf genetische als auch auf epigenetische Prozesse zurückgeführt und trägt zur funktionellen Vielfalt der RPE-Schicht bei [3].

Räumliche Verteilung, Topographie RPE Zellen erstrecken sich vom Rand der Sehnervenscheibe bis zur Ora serrata. Vor der Ora serrata setzt sich das RPE im Pigmentepithel der Pars plana des Ziliarkörpers fort. Es wurden grundlegende Unterschiede zwischen RPE Zelldichte (Abb. 1.3) und Morphometrie in ver-

1  RPE-Histopathologie und Morphometrie

a

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b

Zelldichte vom ONH bis zur Peripherie

800 700

5000

Fläche der Zelle ( m2)

Zelldichte (Zellen/mm2)

6000

4000 3000 2000 1000 0 0,00

Zellfläche vom ONH bis zur Peripherie

600 500 400 300 200 100

5,00

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15,00

20,00

25,00

Entfernung vom Sehnerv (mm)

0 0,00

5,00

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25,00

Entfernung vom Sehnerv (mm)

Abb. 1.3  RPE Zelldichte (a) und Fläche (b) vom Sehnervenkopf (ONH) bis zur äußersten peripheren Netzhaut. (Mit Genehmigung der Autoren: Bhatia SK, Rashid A, Chrenek MA, Zhang Q, Bruce BB, Klein M, et al. Analyse der RPE-Morphometrie in menschlichen Augen. Mol Vis. 2016;22:898–916)

schiedenen topografischen Bereichen (Abb. 1.4) und in verschiedenen Altersgruppen [32] gezeigt. Die Zelldichte am hinteren Pol war etwa viermal größer als in der äußersten Peripherie, mit umgekehrter Korrelation zur Zellfläche (Abb. 1.3) [32]. Die Literatur zeigt große Schwankungen der RPE-Zelldichte mit hoher Variabilität über das Alter, die Netzhautposition und zwischen Individuen [3, 28, 30, 33–37]. Für  die RPE-Zelldichte wurde gezeigt, dass sie von der Fovea (4220 Zellen/mm2) über die Mittelperipherie (3002 Zellen/mm2) bis zur peripheren Netzhaut (1600 Zellen/mm2) in normalen menschlichen Augen abnimmt [30]. Eine andere Untersuchung beschrieb die höchste Dichte von 7500 RPE-Zellen/mm2 an der Fovea bei jüngeren (≤51 Jahre alt) und älteren Probanden (>80 Jahre alt) [31]. RPE Zelldichte nimmt allmählich in Richtung Äquator ab (sie beträgt etwa 5000 Zellen/mm2 am Rand der Makula) [31]. Es wurde auch festgestellt, dass foveale RPE-Zellen signifikant kleiner sind als periphere Zellen [2, 31, 38]. Es gibt eine physiologische Variation in RPEZellformen zwischen verschiedenen Orten, d. h. Zellen sind flach und breiter anterior, während sie posterior zum Äquator verlängert und schmal sind. Salzmann berichtete, dass die Höhe der RPE-Zellen im Makulabereich 11–14 μm und

in den anderen Teilen des Fundus 8 μm beträgt [8]. Die Zellen enthalten auch mehr Melaninpigmentgranula innerhalb des Makulabereichs.

Pathologie Umfangreiche Untersuchungen zur zellulären und subzellulären Pathogenese von Netzhauterkrankungen schreiben einer RPE-Dysfunktion eine primäre oder sekundäre Rolle zu. RPE-Zellen könnten mit der neurosensorischen Netzhaut, Bruch-Membran und choriokapillärem Netzwerk in verschiedenen Krankheiten wie altersbedingter Makuladegeneration (AMD), proliferativen Retinopathien, zentralen und peripheren Netzhautdystrophien, mitochondrialen Erkrankungen und Tumoren des RPE interagieren.

Altersbedingte Veränderungen Normale menschliche RPE-Zellen sind mitotisch inaktiv. Altersbedingter Rückgang der RPE-Dichte und die entsprechenden morphologischen Veränderungen (Abb.  1.5) wurden ausführlich untersucht [30, 31, 34, 38–41]. In einer früheren Untersuchung nahm die RPE-

Konfokales Mikroskopie-Bild

CellProfiler Umrissverfolgung

CellProfilerDatenanalyse

Mittlere Peripherie

Ferne Peripherie

4

1 5

E = Brennweite/Hauptachsenlänge

Hauptachsenlänge

1

4

FF = 0,91

Exzentrizität (E)

FF = 0,79

Formfaktor (FF)

3

2

Brennweite

FF = 0,60

5

6

2

E=0

FF = 1

3

Seitigkeit oder „Anzahl der Nachbarn“

Abb. 1.4  Unterschiede in der RPE-Morphometrie in der Makula, Mittelperipherie und äußersten Peripherie, dargestellt durch Bildanalysetechniken. (Mit Genehmigung der Autoren: Bhatia SK, Rashid A, Chrenek MA, Zhang Q, Bruce BB, Klein M, et al. Analyse der RPE-Morphometrie in menschlichen Augen. Mol Vis. 2016;22:898–916)

Makula

8 E. Szalai et al.

1  RPE-Histopathologie und Morphometrie Alt (Alter >60 Jahre)

Weit entfernte Peripherie

Mittlere Peripherie

Makula

Jung (Alter