[論文レビュー] Druse-Induced Morphology Evolution in Retinal Pigment Epithelium

Karina I. Mazzitello, Qing Zhang+5 more|arXiv (Cornell University)|Sep 15, 2016

Retinal Imaging and Analysis参考文献 2被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、人間の網膜色素上皮（RPE）のフラットマウントを用いた実験的イメージングと細胞ベースの計算モデルを統合し、軟性ドゥルーゼンがRPEに引き起こす形態的変化を調査した。セルラープットスモデルを用いて、隣接する細胞が収縮して隙間を閉じる「ベルト状収縮機構」が、ドゥルーゼン誘発性の細胞死後のRPE修復を十分に説明できることを示した。シミュレーションは観察された組織変形を定量的に再現し、ドゥルーゼンが被覆している細胞数よりもはるかに多くの細胞死を引き起こすことが明らかになった。

ABSTRACT

The retinal pigment epithelium (RPE) is a key site of pathogenesis for many retina diseases. The formation of drusen in the retina is characteristic of retinal degeneration. We investigate morphological changes in the RPE in the presence of soft drusen using an integrated experimental and modeling approach. We collect RPE flat mount images from donated human eyes and develop 1) statistical tools to quantify the images and 2) a cell-based model to simulate the morphology evolution. We compare three different mechanisms of RPE repair evolution, cell apoptosis, cell fusion, and expansion, and Simulations of our RPE morphogenesis model quantitatively reproduce deformations of human RPE morphology due to drusen, suggesting that a purse-string mechanism is sufficient to explain how RPE heals cell loss caused by drusen-damage. We found that drusen beneath tissue promote cell death in a number that far exceeds the cell numbers covering the drusen. Tissue deformations are studied using area distributions, Voronoi domains and a texture tensor.

研究の動機と目的

• 加齢性黄斑変性症（AMD）におけるドゥルーゼンがRPE形態に与える影響を理解すること。
• ドゥルーゼン誘発性のRPE細胞死後に優勢な細胞修復メカニズムを特定すること。
• ドゥルーゼンによって引き起こされるRPE組織変形を定量的に再現できる計算モデルを開発すること。
• RPE形態が早期AMDの診断または予後予測バイオマーカーとして利用可能かどうかを評価すること。

提案手法

• AMDを有する寄付された眼球から取得した人間RPEフラットマウント画像を用いた形態的解析。
• 領域分布、ボロノイ領域解析、およびテクスチャテンソルを用いてRPE形態を定量化する統計的手法の開発。
• 細胞間接着、コートラル張力、および面積弾性を考慮したセルラープットスモデルを用いた細胞ベースのモデルの実装により、RPE形成を模擬。
• ドゥルーゼン誘発損傷下での3つの修復メカニズム（アポトーシス、細胞融合、拡張）のシミュレーション。
• シミュレートされた組織変形を実験データと比較し、メカニズムの妥当性を評価。
• ボロノイ正規性インデックスや組織張力の非対称性といった指標を用いて、モデル予測の定量的妥当性を検証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 軟性ドゥルーゼンは、人間の網膜色素上皮（RPE）の形態にどのように影響を与えるか？
• RQ2 プルーストリング収縮、細胞融合、細胞拡張のうち、どの細胞修復メカニズムがドゥルーゼン誘発性RPE細胞死後の組織回復を最もよく説明するか？
• RQ3 ドゥルーゼンが誘発する細胞死の程度は、病変を被覆するRPE細胞数と比べてどの程度のものか？
• RQ4 ドゥルーゼンの大きさや病変からの距離に応じて、細胞サイズの変化や非対称性といった組織レベルの変形はどのように変化するか？
• RQ5 物理的原理に基づく計算モデルは、ドゥルーゼンによって引き起こされる実験的RPE形態変化を正確に再現できるか？

主な発見

• 半径87 μmのドゥルーゼンは約150個のRPE細胞死を誘発し、病変を被覆する約30個の細胞よりもはるかに多いことから、顕著な間接的損傷が生じていることが示された。
• 半径40 μmのドゥルーゼンは約55個の細胞死を誘発し、再び被覆細胞数を上回った。
• 隣接する細胞が収縮して隙間を閉じる「ベルト状収縮機構」が、細胞死後のRPE修復を十分に説明でき、シミュレーションの適合度において、融合や拡張を上回った。
• ドゥルーゼン周辺の細胞では、通常のRPE細胞と比較して細胞面積の分布に顕著な増大が認められ、局所的な細胞死に起因する機械的引っ張りが生じていることが示唆された。
• ボロノイ領域の正規性インデックスおよびテクスチャテンソル解析から、ドゥルーゼンからの距離が増すにつれて組織の非対称性が低下し、張力が減少し、遠方領域ではより規則正しいパッケージングが生じていることが明らかになった。
• モデルは実験的RPE変形を成功裏に再現した。これは、RPE形態が早期AMDの非侵襲的診断または予後予測バイオマーカーとして利用可能である可能性を示唆している。