Mechanobiological implications of age-related cell density reduction of the retinal pigment epithelium

Piskova, Teodora; Leube, Rudolf; Di Russo, Jacopo; Zimmer-Bensch, Geraldine Marion

doi:10.18154/RWTH-2026-00276

Mechanobiological implications of age-related cell density reduction of the retinal pigment epithelium = Mechanobiologische Implikationen der altersbedingten Zelldichteabnahme des retinalen Pigmentepithels

Piskova, Teodora^RWTH*

2025 & 2026

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Teodora Piskova, M. Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2025

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen University, 2025

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2026

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Di Russo, Jacopo (Thesis advisor)^RWTH* ; Leube, Rudolf (Thesis advisor)^RWTH* ; Zimmer-Bensch, Geraldine Marion (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-12-11

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2026-00276
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1024716/files/1024716.pdf

Einrichtungen

Projekte

GRK 2415 - GRK 2415: Mechanobiology in Epithelial 3D Tissue Constructs (363055819) (363055819)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
RPE (frei) ; actin (frei) ; ageing (frei) ; epithelium (frei) ; mechanics (frei) ; mechanobiology (frei) ; phagocytosis (frei) ; postmitotic (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 570

Kurzfassung
Die Architektur und die mechanischen Eigenschaften von Geweben sind entscheidend für deren Funktion. Die mechanische Homöostase hält diese Eigenschaften innerhalb eines optimalen Bereichs aufrecht, wird jedoch durch Umbauprozesse wie Zellumsatz während des Alterns herausgefordert. Postmitotische Gewebe, wie im Gehirn und in der Retina, können nicht proliferieren und greifen daher auf strukturelle Anpassungen statt auf Zellteilung zurück, um Zellverluste zu kompensieren. Das retinale Pigmentepithel (RPE) ist ein paradigmatisches postmitotisches Gewebe, das durch die tägliche Aufnahme der Außensegmente von Photorezeptoren deren Langlebigkeit gewährleistet und während des Alterns strukturellen Umbau erfährt. In dieser Arbeit wurde ein in-vitro-Modell entwickelt, das die altersbedingte Abnahme der Zelldichte, wie sie das humane RPE in vivo im Laufe des Alterns erfährt, nachbildet. Diese „AgeD“-Kondition (age-related density reduction) basiert auf der monolayerskaligen, bedarfsgesteuerten Aktivierung eines rekombinanten FKBP/Casp8-Fusionsproteins in reifen, aus hiPS-Zellen abgeleiteten RPE-Zellen (iRPE) auf Hydrogelen. Dieses Modell reproduziert den altersabhängigen strukturellen Umbau des humanen RPE mit verringerter Zellhöhe, verkürzten apikalen Mikrovilli und Veränderungen des Aktinzytoskeletts. Funktionell zeigen AgeD-Monolayer ein verändertes Phagozytoseverhalten durch die Aufnahme geringerer Partikelzahlen größerer Größe. Das altersassoziierte strukturelle RPE-Phänotyp führt zu einer deutlichen biomechanischen Verschiebung auf Gewebeebene, die sich in einer Gewebesteifigkeit und erhöhten elastischen Eigenschaften äußert, sowie zu veränderten apikalen mechanischen Eigenschaften, nachgewiesen durch eine verringerte Brillouin-Verschiebung. AgeD-Monolayer weisen darüber hinaus eine erhöhte Kraft an Zell-Zell-Kontakten auf, belegt durch die Anreicherung von Vinculin und phosphorylierter Myosin-Leichtkette. Eine transkriptionelle Analyse zeigte globale Veränderungen in der Expression aktinassoziierter Gene, darunter eine erhöhte Expression von Untereinheiten verzweigter Aktin-Nukleatoren sowie eine verringerte Expression von Forminen und Ezrin. Die pharmakologische Hemmung von Aktin-Nukleatoren während der Phagozytose ergab, dass eine Arp2/3-Hemmung die Zahl internalisierter Partikel in AgeD-Monolayern wiederherstellt, während eine Formin-Hemmung in Kontroll-iRPE zu größeren durchschnittlichen Fragmentgrößen führte. Dies deutet auf eine veränderte Plastizität des Aktinzytoskeletts in AgeD-iRPE während der Phagozytose hin. Neben der Gewebearchitektur bildet das vorgestellte Modell möglicherweise auch andere Aspekte des RPE-Alterungsprozesses ab, wie etwa Veränderungen der genomischen Integrität und Epigenetik. Zudem zeigt die AgeD-iRPE-Kondition erhöhte Transkriptionsniveaus von Basalmembran-assoziierten Komponenten und eine verringerte Chromatinkompaktion, in Übereinstimmung mit in vivo-Beobachtungen an alten Mäusen, die in dieser Arbeit präsentiert werden. Die Charakterisierung des murinen RPE zeigt außerdem, dass die ferne periphere Retina die ausgeprägtesten strukturellen Umbauprozesse aller retinalen Regionen aufweist. Ergebnisse aus früheren Arbeiten unserer Gruppe über den unterschiedlichen mechanischen Status dieser Region stimmen mit den hier beobachteten differentiellen Funktionen verschiedener Laminin-Isoformen überein: Laminin-511 vermittelt eine höhere Sensitivität gegenüber mechanischen Reizen, während Laminin-332 eine schutzähnliche Rolle hinsichtlich Mechanik und Funktion zeigt. Zusammenfassend zeigt diese Arbeit, dass die altersabhängige Gewebearchitektur des postmitotischen RPE mit der Etablierung einer neuen mechanischen Homöostase korreliert. In diesem Zustand werden aktinabhängige Prozesse zur strukturellen Verstärkung und zur Erhaltung der Gewebeintegrität eingesetzt, was jedoch die apikale Plastizität reduziert, die für die Phagozytose erforderlich ist. Diese Arbeit liefert neue Erkenntnisse zur Mechanobiologie postmitotischer Gewebe und zu den altersbedingten Veränderungen der retinalen Homöostase und eröffnet Perspektiven für zukünftige Untersuchungen zu postmitotischer Mechano-Epigenetik und zum Einfluss der extrazellulären Matrix.

The architecture and mechanical properties of tissues are essential for their function. Mechanical homeostasis maintains mechanical properties within an optimal range, but is challenged by remodelling processes, including cell turnover during ageing. Postmitotic tissues, as in the brain and the retina, cannot proliferate and employ structural remodelling instead of proliferation to adapt to cell loss. The retinal pigment epithelium (RPE) is a paradigmatic postmitotic tissue that ensures photoreceptor longevity via the daily internalization of photoreceptor outer segments and experiences structural remodelling in ageing. In this work, I developed an in vitro model that recapitulates the age-related cell density reduction the human RPE experiences in vivo during ageing via apoptosis-generated density reduction (AgeD). AgeD relies on the monolayer-scale, on-demand activation of the recombinant FKBP/casp8 fusion protein in mature hiPSC-derived RPE (iRPE) on hydrogels. The model recapitulates the age-related structural remodelling of the human RPE with reduced cell height, shortened apical microvilli and changes in the actin cytoskeleton. Functionally, AgeD-monolayers perform photoreceptor fragment phagocytosis differently by engulfing a lower number of particles of a larger size. The age-associated RPE structural phenotype presents a significant biomechanical shift on the tissue level, evidenced by tissue stiffening and enhanced elastic properties, and altered apical mechanics evidenced by decreased Brillouin shift. AgeD-monolayers exhibit higher force at cell-cell junctions, demonstrated by vinculin and phospho-myosin light chain accumulation. Transcriptional profiling revealed global changes of the expression of actin-associated genes, including increased expression of branched actin nucleator subunits, as well as decreased expression of formins and ezrin. Pharmacological inhibition of actin nucleators during phagocytosis revealed that Arp2/3 inhibition rescued the number of internalized particles in AgeD-monolayers, while formin inhibition in control iRPE led to larger average size of internalised fragments. This result suggests altered actin cytoskeleton plasticity in AgeD-iRPE during phagocytosis. Besides tissue architecture, the here presented model may recapitulate other aspects of RPE ageing, such as alterations in the genomic integrity and epigenetics. Additionally, the AgeD-iRPE condition shows increased transcriptional levels of basement-membrane related components and decreased chromatin compaction, in agreement with in vivo observations from old mice presented in this work. The murine RPE characterization reveals further that the RPE far-peripheral region undergoes the most pronounced structural remodelling from all retinal regions. Insights from our group’s previous work on the different mechanical status of this region agree with the differential modulatory functions of different laminin isoforms laminin-511 and laminin-332 observed in the AgeD model, where laminin-511 renders the monolayers with higher sensitivity to mechanical cues, while laminin-332 exhibits a protective role in terms of mechanics and function. Altogether, this work demonstrates that the age-associated tissue architecture of the postmitotic RPE correlates with the establishment of a new mechanical homeostasis. In this state, actin-related processes are leveraged towards structural reinforcement to preserve tissue integrity decreasing apical plasticity needed on-demand for the execution of phagocytosis. This work delivers novel insights into postmitotic mechanobiology and the age-related changes of retinal homeostasis and opens the door to future studies to address remaining questions on postmitotic mechano-epigenetics or the impact of the extracellular matrix.

OpenAccess:
PDF
(additional files)