Retinitis pigmentosa (RP) is a form of retinal degeneration (RD) and a major cause for loss of vision during working age. Several genes have been associated with RP. This genetic heterogeneity has hampered the development of therapeutic interventions. Therapy development based on neuroprotection targeting common denominators activated in different forms of RD may benefit a large cohort of patients. Pigment epithelium-derived factor (PEDF) is a natural protein in the eye with potent retinoprotective properties and high potential to be applied in retinal degeneration therapeutics.
We have characterized the molecular pathways targeted by PEDF in murine models of RD and found that PEDF acts on PMCA calcium pumps, present at the plasma membrane of rod photoreceptors, facilitating the decrease of intracellular calcium, a key player in photoreceptor cell death (1). Reduced levels of intracellular calcium limit the activation of calpains, calcium regulated proteases, that during degeneration activate Bax and the Apoptosis Inducing Factor (AIF) as triggers of photoreceptor cell death (2).
Given that small molecules can be more permeable and facilitate delivery with limited side effects, likely caused by other regions of the entire molecule, we tested small peptides, derived from the neurotrophic region of PEDF, that retain binding affinity to the PEDF receptor and identified a small peptide of 17 amino acids, with a mutation in the histidine 105 into an alanine (17mer[H105A]), with enhanced neuroprotective activity compared to PEDF (3). We have delivered entire PEDF or 17mer[H105A] in the retina of murine models of RP via an AAV vector, a virus recently approved for gene therapy in the eye. The neuroprotective effects of intravitreal or subretinal injections of the therapeutic virus were analyzed histologically and electrophysiologically 15 days or 6 months after delivery. The promising results prompt us to further characterize the neuroprotective properties of PEDF and 17mer[H105A] in the degenerating retina and to evaluate their delivery with novel drug delivery systems: nanoparticles can reduce drug loss due to degradation and promote specific accumulation, while hydrogels could help prolong the release and reduce the dosing frequency, overall increasing the therapeutic efficacy (4, 5).
Pigment Epithelium-derived Factor (PEDF) e peptidi derivati come agenti terapeutici per la degenerazione retinica ereditaria
La retinite pigmentosa (RP) è una forma di degenerazione retinica (RD) ed è la maggior causa di perdita della vista durante l'età lavorativa. Vari geni sono stati associati a RP e questa eterogeneità genetica è stata d'ostacolo allo sviluppo di protocolli terapeutici. Lo sviluppo di approcci terapeutici basati sulla neuroprotezione che bersaglia meccanismi molecolari comuni attivati nelle diverse forme di RD può venire a vantaggio di un grande numero di pazienti. Il Pigment epithelium-derived factor (PEDF) è una proteina naturale negli occhi con potenti proprietà retinoprotettive e con buona potenzialità di essere applicato nella terapia delle degenerazioni retiniche.
Abbiamo caratterizzato i meccanismi molecolari bersagliati da PEDF nei modelli murini di RD e abbiamo scoperto che PEDF agisce sulle pompe del calcio, presenti sulla membrana plasmatica dei bastoncelli, facilitando la riduzione del calcio e delle molecole che mediano la degenerazione dei fotorecettori durante la progressione della malattia (1-2). Poiché piccole molecole possono essere più permeabili e presentare limitati effetti collaterali che possono derivare da un'intera molecola, abbiamo saggiato piccoli peptidi contenenti la regione con attività neurotrofica del PEDF. Questo studio ha identificato un piccolo peptide di 17 aminoacidi, 17mer[H105A], con aumentata attività neuroprotettiva rispetto al PEDF (3). Abbiamo veicolato in modelli di RD il PEDF o il 17mer[H105A] con un virus AAV, un tipo virale approvato per la terapia genica nell'occhio. I dati preliminari di neuroprotezione sono promettenti e ci spingono a focalizzare gli studi futuri sulla caratterizzazione dell'attività neuroprotettiva di PEDF o del peptide 17mer[H105A] nella retina e di valutare la veicolazione basata su nanoparticelle e altri sistemi innovativi per proteggere il farmaco dalla degradazione, promuovere l'accumulo selettivo sulla retina, e prolungarne il rilascio, in modo da aumentare l'efficienza terapeutica (4,5).
1. Comitato A ... Marigo V. (2018) Pigment epithelium-derived factor (PEDF) hinders photoreceptor cell death by reducing intracellular calcium in the degenerating retina. Cell Death & Disease 9: 560.
2. Comitato A ... Marigo V. (2019) Calpain Activation Is the Major Cause of Cell Death in Photoreceptors Expressing a Rhodopsin Misfolding Mutation. Molecular Neurobiology 57:589-599.
3. Kenealey J ... Marigo V., Becerra S.P. (2015) Small Retinoprotective Peptides Reveal a Receptor Binding Region on Pigment Epithelium-derived Factor. Journal of Biological Chemistry 290:25241-25253.
4. Ottonelli I., Bighinati A., Adani E ... Tosi G ... Marigo V., Ruozi B. (2023) Optimization of An Injectable Hydrogel Depot System for the Controlled Release of Retinal-Targeted Hybrid Nanoparticles. Pharmaceutics 15:25.
5. Huang L... Marigo V. (2022) Efficient Delivery of Hydrophilic Small Molecules to Retinal Cell Lines Using Gel Core-Containing Solid Lipid Nanoparticles. Pharmaceutics 14:74.