Study on erythropoietin subconjunctival administration in a glaucoma animal model

Abstract

Glaucoma is the number one cause of irreversible vision loss worldwide. Death of retinal ganglion cells (RGC), which results in the progressive loss of visual function, occurs in glaucoma and other ocular diseases caused by hypoxia and ischemia. Although glaucoma is a multifactorial neurodegenerative disease, the only currently method of treatment involves reduction of intraocular pressure and, at the present, there is no effective treatment to prevent RGC apoptosis. Notably, it has been reported that erythropoietin (EPO), a cytokine hormone produced in response to hypoxia, has significant neuroprotective and neuroregenerative properties in several types of ocular disorders. Pre-clinical studies in glaucoma animal models involving EPO have yielded very promising results. All studies involving EPO ocular administrations have used systemic, intravitreal or retrobulbar administration to reach retinal desired EPO concentrations. However, EPO chronic systemic administration can lead to adverse side effects related with haematopoiesis stimulation, while intravitreal or retrobulbar administrations are invasive procedures that can induce several complications such as endophthalmitis, retinal detachment, vitreitis, retinitis, choroiditis or cataracts. This thesis aims to clarify if EPO’s neuroprotection could be achieved by a non-invasive and safe periocular administration route without adverse effects. Being so, this work evaluates the subconjunctival route as an alternative for EPO administration in glaucoma disease. After the first in vitro study, where the permeation of EPO across the periocular tissues was quantified, all work was developed in in vivo models. EPO’s ocular permeation after subconjunctival administration was tested, both in physiological and glaucomatous conditions. Furthermore, both retinal morphological and physiological effects of EPO administered by this route were assessed in glaucomatous animals. Results showed that EPO, when administered subconjunctivally, can permeate the main ocular barriers and reach RGC layers, in both physiological and glaucomatous conditions, without significant local or systemic side effects. More than showing that EPO can reach the retina by this route, results also concluded that subconjunctival EPO administration seems to have structural and functional beneficial effects on the retina after glaucoma induction in rats.

RESUMO - Estudo da administração subconjuntival de eritropoietina num modelo animal de glaucoma. - O glaucoma é a principal causa de cegueira irreversível no mundo. A morte das células ganglionares da retina (RGC) causada por hipóxia e isquémia resulta numa progressiva perda de visão. Apesar do glaucoma ser uma doença neurodegenerativa multifatorial, as únicas opções terapêuticas visam o controle da pressão intraocular, não havendo atualmente um tratamento eficaz para prevenir a apoptose das RGC. Estudos recentes demonstraram que a eritropoietina (EPO), uma glicoproteína sintetizada maioritariamente em resposta a estados de hipóxia, tem ação neuroprotetora e neuroregenerativa em várias doenças oculares, tendo revelado resultados promissores em vários modelos animais de glaucoma. Nos estudos experimentais em que a EPO foi utilizada como substância neuroprotetora, foi administrada pelas vias sistémica, intravítrea ou retrobulbar para se obterem concentrações terapêuticas na retina. No entanto, a administração sistémica prolongada de EPO pode produzir efeitos secundários adversos relacionados com o aumento da hematopoiese, enquanto que as administrações intravítrea ou retrobulbar são procedimentos invasivos suscetíveis de causar várias complicações tais como endoftalmite, descolamento de retina, vitreite, retinite, coroidite ou catarata. Esta tese teve por objetivo estudar uma via de administração periocular de EPO não invasiva, segura, eficaz e sem efeitos adversos. Assim, este trabalho avaliou a via subconjuntival como uma alternativa para a administração ocular de EPO em condições de glaucoma. No primeiro estudo in vitro, quantificou-se a permeação da EPO nos tecidos perioculares. O restante trabalho, desenvolvido em modelos in vivo, testou a permeação ocular da EPO após administração subconjuntival, tanto em condições fisiológicas como de glaucoma. O estudo contemplou ainda os efeitos morfológicos e fisiológicos da EPO ao nível da retina em animais glaucomatosos. Os resultados obtidos demostraram que a EPO, quando administrada pela via subconjuntival, pode permear as principais barreiras oculares e atingir as RGC, em ambas as condições testadas, fisiológicas e de glaucoma, sem efeitos adversos locais ou sistémicos apreciáveis. Além disso, revelaram que a administração subconjuntival de EPO parece ter efeitos benéficos estruturais e funcionais na retina após a indução de glaucoma experimental em ratos.