Modeling ocular permeability and photoreceptor isolation: towards advancing reliable in vitro and in silico retinal models

Retinal diseases, such as age-related macular degeneration and retinitis pigmentosa, are among the leading causes of vision loss worldwide. These disorders are characterized by altered retinal permeability, disrupting the balance of nutrient exchange and waste removal and ultimately leading to the degeneration of delicate cells such as photoreceptors. Despite their impact, effective treatments remain limited due to an incomplete understanding of the biomechanical properties of ocular tissues, hindering the development of accurate in vitro and in silico models. This study integrates experimental and computational approaches to characterize ocular permeability and photoreceptor isolation, two key aspects in advancing retinal disease models. In vitro permeability tests on isolated porcine ocular layers used a custom chamber, with coefficients derived via Darcy’s law. The data were then incorporated into a finite element computational model in COMSOL® to simulate fluid-mechanical behavior. A photoreceptor isolation protocol was also optimized to improve cell purity and viability, enhancing its potential for in vitro applications. The results of this combined approach confirmed the feasibility of the dissection protocols, successfully isolating the retina and RPE-BrM-choroid complex. However, uncertainties remain regarding Bruch’s membrane removal in choroid-only samples, requiring further investigation. Permeability measurements were consistent with expected values and the computational model provided a valuable cross-validation, demonstrating strong agreement between experimental and numerical data. Additionally, key steps in the photoreceptor isolation protocol were successfully implemented, yet further optimization and validation through additional assays are needed to refine the methodology. By integrating biological, biomechanical and computational analyses, this work strengthens preclinical retinal models while aligning with the 3R principles, paving the way for more precise disease modeling and clinically translatable therapies.

Le malattie retiniche, come la degenerazione maculare legata all’età e la retinite pigmentosa, rappresentano una delle principali cause di cecità a livello globale. Queste patologie sono caratterizzate da un'alterata permeabilità retinica, che compromette l’equilibrio tra lo scambio di nutrienti e la rimozione dei prodotti di scarto, portando alla degenerazione di cellule specializzate come i fotorecettori. Nonostante l'impatto, le terapie restano limitate per la scarsa conoscenza delle proprietà biomeccaniche oculari, compromettendo lo sviluppo di modelli in vitro e in silico affidabili. Questo studio combina approcci sperimentali e computazionali per caratterizzare permeabilità e isolamento dei fotorecettori, migliorando tali modelli. I test di permeabilità su tessuti suini sono stati eseguiti con una camera dedicata, determinando i coefficienti tramite la legge di Darcy. I dati ottenuti sono stati poi incorporati in un modello computazionale sviluppato in COMSOL® per simulare il comportamento fluido-meccanico dei tessuti oculari. Inoltre, è stato ottimizzato un protocollo di isolamento dei fotorecettori per migliorarne la purezza e la vitalità. I risultati hanno confermato la validità dei protocolli di dissezione, permettendo l’isolamento efficace della retina e del complesso RPE-BrM-coroide. Tuttavia, rimangono incertezze sulla rimozione della membrana di Bruch nei campioni di sola coroide, rendendo necessarie ulteriori indagini. Le misurazioni della permeabilità sono risultate coerenti con i valori attesi e il modello computazionale ha fornito una solida validazione incrociata, evidenziando un’elevata concordanza tra i dati sperimentali e numerici. Inoltre, alcuni passaggi chiave del protocollo di isolamento dei fotorecettori sono stati implementati con successo, ma saranno necessarie ulteriori validazioni attraverso saggi sperimentali aggiuntivi per perfezionare la metodologia. Integrando analisi biologiche, biomeccaniche e computazionali, questo lavoro migliora l’affidabilità dei modelli preclinici per lo studio delle malattie retiniche e pone le basi per lo sviluppo di modelli di malattia più precisi, contribuendo all’elaborazione di strategie terapeutiche più efficaci.