Three-dimensional in vitro retina models for modeling high-incidence diseases: a systematic approach

The visual apparatus serves as one of the primary interfaces between humans and the external surrounding world. Currently, roughly 2.2 billion of people suffer from vision impairment, and various retinal degenerative diseases, such as age-related macular degeneration, glaucoma, diabetic retinopathy, and retinitis pigmentosa are among the leading causes. Due to the highly specialized nature of the retinal tissues, it is not uncommon that such pathologies arise from the simultaneous action of multiple factors alongside the aging process. Although relevant progress has been made in understanding retinal pathological mechanisms and consequent localized damage, current treatments remain inadequate for reversing these degenerative conditions. Animal models can be poorly compared to humans and obtaining human eye tissue samples is challenging due to scarcity and ethical considerations. As such, the need to establish relevant and structurally accurate in vitro models is urgent. A systematic approach has been adopted in this master’s thesis work with the aim of deeply understanding the advancements in the field of three-dimensional in vitro systems. The starting point of this work is an experimental model developed in 2021 here at Politecnico di Milano as a successful approach to mimic the Bruch’s membrane and the retinal pigmented epithelium. This review provides a critical analysis on the subsequent models, elucidating persistent knowledge deficits, while outlining the future research directions that our laboratory could perform. Such systematic investigation highlights how the most recent in vitro modeling is moving along two different pathways: multilayered, membrane-based models, or stem cells into three-dimensional retinal organoids. Moreover, as no evidence has been found of the inclusion of the ocular lymphatic system in disease and healthy models, this work outlines the possible innovation and potentiality that such a symbiosis holds.

L’apparato visivo rappresenta una delle prime interfacce tra le persone e il mondo esterno circostante. Al giorno d’oggi, circa 2.2 bilioni di persone soffrono di deficit visivi, e molteplici malattie degenerative della retina, come la degenerazione maculare senile, glaucoma, retinopatia diabetica e retinite pigmentosa, ne rappresentano le cause principali. Data la natura altamente specializzata del tessuto retinico, non è raro che queste patologie insorgano a causa dell’azione simultanea di molteplici fattori, in aggiunta al solo processo di invecchiamento. Sebbene siano stati compiuti notevoli progressi nella comprensione dei meccanismi patologici retinici e nella localizzazione dei danni, i trattamenti disponibili rimangono largamente inadatti a risolvere tali condizioni degenerative. I modelli animali possono essere scarsamente comparati alle caratteristiche umane, e l’ottenimento di campioni di tessuti retinici da donatore resta impegnativo a causa della scarsità e considerazioni etiche. Pertanto, la necessità di stabilire modelli in vitro rilevanti e strutturalmente accurati è urgente. In questa tesi di laurea magistrale è stato adottato un approccio sistematico con l’obiettivo di comprendere in dettaglio i progressi nella modellazione in vitro. Il punto di partenza di questo lavoro è un modello sperimentale sviluppato nel 2021 qui al Politecnico di Milano che ha replicato efficacemente la membrana di Bruch e l’epitelio pigmentato retinico. Questa review fornisce un’analisi critica dei modelli successivi, elucidando le lacune conoscitive persistenti e delineando le future direzioni di ricerca che si potrebbero intraprendere. Tale indagine sistematica evidenzia come i più recenti modelli in vitro si stiano muovendo lungo due percorsi paralleli: modelli multistrato basati su membrana, o cellule staminali aggregate in organoidi retinici tridimensionali. Inoltre, poiché non sono emerse prove dell’inclusione del sistema linfatico oculare nei modelli più innovativi, questo lavoro delinea l’innovazione e le potenzialità che potrebbero sorgere da un approccio combinato.