Use of advanced imaging tools for assessing the performance of novel therapeutic techniques for restoring vision

Abstract

(English) Studying vision restoration is paramount for addressing degenerative blinding diseases, which significantly impact quality of life and public health. With more than 230M people worldwide affected by moderate to severe vision loss, and an estimated increase in blindness from 38M to 115M by 2050, the urgency for effective treatments is clear. Vision, being the most complex and crucial human sense, relies on an intricate network of structures. Light is captured by photoreceptors in the retina and translated into neural signals processed by the brain, enabling sight. Degenerative diseases often involve the progressive deterioration of photoreceptors, leading to blindness. Currently, there is no cure but various approaches are being researched to restore sight. These include gene and cell therapies targeting diseased tissue, as well as methods like optogenetics and neuroprosthetics to modulate neuron activity and bypass dysfunction. By understanding and manipulating neural activity, scientists aim to restore vision or slow down the degenerative processes. The results of this PhD thesis highlight progress across four areas for vision restoration research. Chapter 2a explores a new retinal implant using biocompatible reduced graphene oxide microelectrodes, demonstrating its ability to record neural signals from retinal tissue and capture light-induced firing patterns in retinal ganglion cells. It also details a protocol for retinal calcium imaging, facilitating future studies combining electrical stimulation with optical techniques. Chapter 2b focuses on adapting an ophthalmoscope for in vivo, single-cell resolution imaging of the retina in rodents, aiming to set the basis for future implementations to monitor the functionality of implanted retinal prostheses. Chapter 3 delves into the potential of human-induced pluripotent stem cell-derived retinal organoids for vision research. Using advanced imaging techniques, researchers successfully observed the formation of distinct retinal cell types within the organoids and identified differences in calcium dynamics between healthy and diseased models. Future work aims to refine MEA recordings and investigate the link between retinal organoid structure and function. Chapter 4 introduces a novel three-photon excitation technique offering deeper brain penetration and higher precision compared to traditional methods. This approach successfully regulates neuronal activity in zebrafish with minimal light exposure, showcasing its potential for revolutionizing the study of neural circuits and development of neuromodulation therapies. Taken together, these advancements across retinal implant design, in vivo monitoring of the retina, studying the potential of patient-derived organoid models, and development of non-invasive three-photon brain stimulation techniques, pave the way for future development of more effective vision restoration therapies.

(Català) L’estudi de com restablir la visió és fonamental per fer front a les malalties degeneratives que causen ceguera. Amb més de 230 milions de persones afectades arreu del món per pèrdua de visió, i una estimació d'augment de 38 a 115 milions per a 2050, la urgència de trobar tractaments efectius és més que evident. Actualment no existeix cura però s'estan investigant diverses aproximacions per restaurar artificialment la visió en aquests pacients. Aquestes inclouen teràpies gèniques i cel·lulars que s'orienten en reconstituir el teixit malalt, així com mètodes com l'optogenètica i les pròtesis per modular l'activitat neuronal reemplaçant la disfunció. Comprenent i manipulant l'activitat neuronal, els científics aspirem a restablir la visió o enlentir els processos de degeneració. Entre els resultats d'aquesta tesi en destaquen els progressos en quatre àrees de recerca per restablir la visió. Al Capítol 2a s’explora un nou tipus d’implant retinal format per microelèctrodes de grafè. També es detalla un protocol per mesurar les dinàmiques de calci en explants de retina, facilitant futurs estudis que combinin estimulació elèctrica amb tècniques òptiques. El Capítol 2b es centra en l'adaptació d'un oftalmoscopi per captar imatges en viu, amb resolució cel·lular per estudiar la retina de models murins, amb l'objectiu d'establir les bases per a futures implementacions per monitorar la funcionalitat de la pròtesis un cop implantada. El Capítol 3 s'endinsa en el potencial dels organoids retinals derivats de cèl·lules mare de pacients per a la investigació de les retinopaties. Utilitzant tècniques d'imatge avançades, hem observat amb èxit la formació de tipus cel·lulars retinals distintius dins dels organoids i hem identificat diferències en les dinàmiques del calci entre models d’organoids provinent de voluntaris sans i pacients malalts. El Capítol 4 proposa una nova tècnica basada en l'excitació amb tres fotons per controlar l’activitat neural amb drogues fotoestimulables, en més profunditat i amb major precisió que els mètodes tradicionals. En conjunt, aquests avenços en el disseny d'implants retinals, el monitoratge in vivo de la retina, l'estudi del potencial dels organoids com a nous models derivats de pacients, i el desenvolupament de tècniques no invasives d’estimulació cerebral mitjançant tres fotons, obren el camí per al desenvolupament futur de teràpies més efectives per a restablir la visió.

(Español) El estudio de cómo restablecer la visión es fundamental para hacer frente a las enfermedades degenerativas que causan ceguera, las cuales afectan significativamente la calidad de vida de las personas y tienen un fuerte impacto en nuestra sociedad, así como en la salud pública. Con más de 230 millones de personas afectadas en todo el mundo por pérdida de visión, y una estimación de aumento de 38 a 115 millones para 2050, la urgencia de encontrar tratamientos efectivos es más que evidente. La visión es el sentido más complejo y crucial que poseemos los seres humanos. La luz es captada por los fotorreceptores en la retina, que inician una cascada de señales que llegan al cerebro, donde son traducidas para poder procesar la imagen del mundo que nos rodea. Las enfermedades degenerativas implican la deterioración progresiva de los fotorreceptores, lo que conduce finalmente a la ceguera. Actualmente no existe cura, pero se están investigando diversas aproximaciones para restaurar artificialmente la visión en estos pacientes. Estas incluyen terapias génicas y celulares que se enfocan en restaurar o regenerar el tejido enfermo, así como métodos que pretenden reemplazar la disfunción a través de técnicas de optogenética o mediante la implantación de prótesis. Mediante el conocimiento y la manipulación de la actividad neuronal, los científicos aspiran a restablecer la visión o ralentizar los procesos de degeneración. La investigación en esta área tiene el potencial de aliviar el sufrimiento personal y mejorar la independencia de las personas afectadas, así como reducir la carga socioeconómica asociada a la discapacidad visual.

Entre los resultados de esta tesis destacan los progresos en cuatro áreas de investigación para restablecer la visión. En el Capítulo 2a se explora un nuevo tipo de implante retinal formado por microelectrodos de grafeno. Demostramos la capacidad del implante para registrar y generar señales neuronales en explantes de retina. También se detalla un protocolo para medir las dinámicas de calcio en explantes de retina, facilitando futuros estudios que combinen estimulación eléctrica con técnicas ópticas. El Capítulo 2b se centra en la adaptación de un oftalmoscopio para captar imágenes en vivo, con resolución celular, para estudiar la retina de modelos murinos, con el objetivo de establecer las bases para futuras implementaciones para monitorizar la funcionalidad de la prótesis una vez implantada. El Capítulo 3 se adentra en el potencial de los organoides retinianos derivados de células madre de pacientes para la investigación de las retinopatías. Utilizando técnicas de imagen avanzadas, hemos observado con éxito la formación de tipos celulares retinianos distintivos dentro de los organoides y hemos identificado diferencias en las dinámicas del calcio entre modelos de organoides provenientes de voluntarios sanos y pacientes de retinitis pigmentosa. El Capítulo 4 propone una nueva técnica basada en la excitación con tres fotones para controlar la actividad neural con drogas fotoestimulables, a mayor profundidad y con mayor precisión que los métodos tradicionales. Este enfoque ha permitido modular con éxito la actividad neuronal del cerebro en peces cebra con una exposición mínima a la luz, demostrando su potencial para revolucionar el estudio de los circuitos neuronales y el desarrollo de nuevas terapias de neuromodulación.

En conjunto, estos avances en el diseño de implantes retinianos, el monitoreo in vivo de la retina, el estudio del potencial de los organoides como nuevos modelos derivados de pacientes, y el desarrollo de técnicas no invasivas de estimulación cerebral mediante tres fotones, abren el camino para el desarrollo futuro de terapias más efectivas para restablecer la visión.