Abstract Diabetic retinopathy is a vision-threatening disease and remains the most feared complication for those living with diabetes. Historically, the disease has been considered primarily vascular in nature, based on clinically detectable vascular pathology. Nonetheless, it is now recognized that the retina undergoes a variety of cellular changes from the early onset of diabetes. In fact, one of the earliest changes to occur is a loss in vasoregulation, yet our understanding of the underlying mechanisms is lacking. Microglia, the resident immune cells of the central nervous system, perform a range of physiological, non-inflammatory functions to maintain retinal homeostasis which includes surveying the microenvironment to constantly monitor tissue health, neuronal surveillance to maintain synaptic integrity and vasoregulation, a recently discovered role that these cells additionally perform. The role of microglia in the development of diabetic retinopathy is well-established, centered around their contribution to inflammation which remains an integral component in disease pathogenesis, particularly in later stages of disease. However, recent findings reveal that early in the development of diabetes the vasoregulatory function of microglia is dysfunctional, leading to early vascular compromise. This review summarizes recent work to highlight how microglia are affected by diabetes and the implications of these changes in the development of diabetic retinopathy from pre-clinical to advanced stages of disease.

Chronic inflammation is a constitutive component of many age-related diseases, including age-related macular degeneration (AMD). Here, we identified interleukin-1 receptor-associated kinase M (IRAK-M) as a key immunoregulator in retinal pigment epithelium (RPE) that declines during the aging process. Rare genetic variants of

We differentiated the human embryonic stem cell line H9 into retinal pigment epithelium (RPE) cells to assess temporal changes in transcriptomic profiles of cells. We performed single cell RNA-Sequencing of a total of 16,576 cells, and analysed the resulting data to access the molecular changes of RPE cells across two culture time points (1 and 12 months). Our results indicate the stability of the RPE transcriptomic signature over time in culture, with results indicating maturing populations of RPE could be observed over time, with no evidence of an epithelial mesenchymal transition. Assessment of gene ontology (GO) pathways reveals that as cell cultures age, RPE cells upregulate expression of genes involved in metal binding and antioxidant functions, which might reflect an increased ability to handle oxidative stress as cells mature. Comparison with the transcriptional profiles of native RPE identified a progression towards a maturing RPE profile. These results suggest that in vitro long-term culture of RPE cells allow the modelling of phenotypes observed in native mature tissue. Our work highlights the changing transcriptional landscape of hPSC-derived RPE as they age in culture, which provides a reference for native and patient- samples to be benchmarked against.

Unchecked, chronic inflammation is a constitutive component of age-related diseases, including age-related macular degeneration (AMD). Here we identified interleukin-1 receptor-associated kinase (IRAK)-M as a key immunoregulator in retinal pigment epithelium (RPE) that declines with age. Rare genetic variants of IRAK-M increased the likelihood of AMD. IRAK-M expression in RPE declined with age or oxidative stress and was further reduced in AMD. IRAK-M-deficient mice exhibited increased incidence of outer retinal degeneration at earlier ages, which was further exacerbated by oxidative stressors. The absence of IRAK-M disrupted RPE cell homeostasis, including compromised mitochondrial function, cellular senescence, and aberrant cytokine production. IRAK-M overexpression protected RPE cells against oxidative or immune stressors. Subretinal delivery of AAV-expressing IRAK-M rescued light-induced outer retinal degeneration in wild-type mice and attenuated age-related spontaneous retinal degeneration in IRAK-M-deficient mice. Our data support that replenishment of IRAK-M expression may redress dysregulated pro-inflammatory processes in AMD, thereby treating degeneration.

Abstract Local blood flow control within the CNS is critical to proper function and is dependent on coordination between neurons, glia and blood vessels. Macroglia such as astrocytes and Müller cells, contribute to this neurovascular unit within the brain and retina, respectively. This study explored the role of microglia, the innate immune cell of the CNS, in retinal vasoregulation and highlights changes during early diabetes. Structurally, microglia were found to contact retinal capillaries and neuronal synapses. In the brain and retinal explants, the addition of fractalkine, the sole ligand for monocyte receptor Cx3cr1, resulted in capillary constriction at regions of microglial contact. This vascular regulation was dependent on microglial involvement, since mice lacking Cx3cr1, exhibited no fractalkine-induced constriction. Analysis of the microglial transcriptome identified several vasoactive genes, including angiotensinogen, a constituent of the renin-angiotensin system (RAS). Subsequent functional analysis showed that RAS blockade via candesartan, abolished microglial-induced capillary constriction. Microglial regulation was explored in a rat streptozotocin (STZ) model of diabetic retinopathy. Retinal blood flow was reduced after 4 weeks due to reduced capillary diameter and this was coincident with increased microglial association. Functional assessment showed loss of microglial-capillary response in STZ-treated animals and transcriptome analysis showed evidence of RAS pathway dysregulation in microglia. While candesartan treatment reversed capillary constriction in STZ-treated animals, blood flow remained decreased likely due to dilation of larger vessels. This work shows microglia actively participate in the neurovascular unit, with aberrant microglial-vascular function possibly contributing to the early vascular compromise during diabetic retinopathy. Significance Statement This work identifies a novel role for microglia, the innate immune cells of the CNS, in the local control of the retinal vasculature and identifies deficits early in diabetes. Microglia contact neurons and vasculature and express several vasoactive agents. Activation of microglial fractalkine-Cx3cr1 signalling leads to capillary constriction and blocking the renin-angiotensin system (RAS) with candesartan abolishes microglial-mediated vasoconstriction in the retina. In early diabetes, reduced retinal blood flow is coincident with capillary constriction, increased microglial-vessel association, loss of microglial-capillary regulation and altered microglial expression of the RAS pathway. While candesartan restores retinal capillary diameter early in diabetes, targeting of microglial-vascular regulation is required to prevent coincident dilation of large retinal vessels and reduced retinal blood flow.