Retinal neovascularization is a severe complication of proliferative diabetic retinopathy. MicroRNAs (miRNAs) are master regulators of gene expression that play important roles in retinal neovascularization. Here, we investigated the retinal miRNA expression profile in a rat model of oxygen-induced retinopathy (OIR) through miRNA-Seq. We found that miR-143-3p, miR-126-3p, miR-150-5p and miR-145-5p were significantly down-regulated in the retina of OIR rats, and directly involved in the development of retinal neovascularization. Of these identified miRNAs, miR-143 is enriched in retina and was first reported being associated with pathological retinal angiogenesis. Our RNA-Seq data further suggested that miR-143 alleviates retinal neovascularization by mediating the inflammation/stress pathways via Fos. Moreover, the computational analysis indicated that Transforming Growth Factor-beta Activated Kinase 1 (TAK1) is involved in several key pathways associated with the dysregulated miRNAs. The pharmacological inhibition of TAK1 suppressed angiogenesis in vitro and retinal neovascularization in vivo. Our data highlight the utility of next-generation sequencing in the development of therapeutics for ocular neovascularization and further suggest that therapeutic targeting the dysregulated miRNAs or TAK1 may be a feasible adjunct therapeutic approach in patients with retinal neovascularization.

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.