New insights on the impact of prenatal stress on offspring retinal function and structure

Abstract

O stress no início da vida pode ter um impacto negativo no desenvolvimento do sistema nervoso central (SNC). Fatores de risco, como a exposição ao stress ou a níveis elevados de glucocorticoides (GC) no início da vida, podem contribuir para o desenvolvimento de patologias do foro psiquiátrico. Considerando que o SNC pode ser modulado pelo stress pré-natal, a retina enquanto constituinte deste sistema, poderá também ser afetada. Por conseguinte, este tecido neuronal poderá constituir uma janela para o cérebro. Assim, alterações na estrutura e função da retina poderão ser utilizadas como uma ferramenta complementar para o diagnóstico de patologias psiquiátricas. Deste modo, desenvolveu-se este estudo de modo a clarificar o impacto do stress pré-natal no desenvolvimento da retina, bem como o seu impacto a longo prazo, nomeadamente na função e estrutura da retina. Além disso, uma vez que já foi descrita a existência de alterações específicas do sexo no cérebro, este estudo visa identificar diferenças de vulnerabilidade entre as retinas de machos e fêmeas ao stress pré-natal. Neste trabalho, utilizámos um modelo de stress pré-natal em murganho, consistindo na administração intra-peritoneal de 50 µg/kg dexametasona (DEX) às progenitoras, nos dias de gestação 16-18. Após o nascimento, as crias foram monitorizadas relativamente a vários marcos de neurodesenvolvimento. Além disso, tanto na adolescência (P28) como na idade jovem adulta (P58), foi avaliado o comportamento do tipo depressivo e ansioso para validar o modelo de doença psiquiátrica. A avaliação in vivo da estrutura e função da retina foi feita a P60, por tomografia de coerência ótica e eletrorretinografia, respetivamente. A análise molecular e celular do tecido da retina foi efetuada por Western blot e imunohistoquímica, a P14 (infância) e P60 (jovem adulto). Embora alguns marcos do neuro desenvolvimento tenham sido subtilmente alterados em descendentes machos, não foram observadas alterações do dia da abertura dos olhos, sugerindo que o tratamento com DEX não teve impacto na maturação do sistema visual. Curiosamente, os níveis de proteínas sinápticas a P14 estavam diminuídos em machos expostos a stress pré-natal; no entanto, este efeito não persiste até à idade adulta. Na idade adulta (P60), fêmeas prenatalmente expostas a DEX apresentam um comportamento do tipo depressivo que não está presente em machos, confirmando os efeitos específicos do sexo do stress pré-natal e validando o modelo. Contrariamente às alterações comportamentais registadas em fêmeas, a estrutura e função da retina das fêmeas não foi afetada pela exposição pré-natal a DEX. No entanto, verificou-se uma diminuição subtil da espessura da camada dos segmentos internos e externos dos fotorrecetores e alterações na função dos cones na retina de machos expostos a DEX a P60. Surpreendentemente, na idade adulta, houve um aumento dos níveis proteicos da arrestina, proteína relacionada com os cones fotorreceptores, bem como do número de células ganglionares da retina, em machos expostos a stress pré-natal, sem deteção de alterações na função destes tipos celulares. Em suma, este estudo revela novos conhecimentos sobre o impacto do stress pré-natal, induzido por exposição a DEX, na retina da descendência durante a infância, bem como alguns efeitos a longo prazo na estrutura e função da retina. O dimorfismo sexual detetado nas alterações observadas reforçam a relação entre o stress pré-natal e o neurodesenvolvimento, podendo ser útil para compreender a fisiopatologia das perturbações psiquiátricas. No entanto, a utilização da retina como biomarcador de depressão não se aplica ao modelo animal utilizado, uma vez que não se registaram alterações ao nível da retina nas fêmeas com fenótipo depressivo.

Early life stress can have a severe impact on the development of the central nervous system (CNS). Developmental risk factors, such as exposure to stress or high levels of glucocorticoids (GCs) early in life, may contribute to the pathogenesis of psychiatric disorders. Since the CNS can be modulated by prenatal stress, the retina, as a constituent of this system, might also be affected. Therefore, alterations to this neuronal tissue could putatively be used as a biomarker for psychiatric diseases. Thus, alterations in retinal structure and function could be used as a complementary tool for the diagnosis of psychiatric diseases. The present study was designed to clarify the impact of prenatal stress on retinal development, and its long-term consequences in retinal structure and function. Moreover, since sex-specific alterations have already been described during offspring’s brain development, this study aimed to uncover retinal sex-specific vulnerabilities to prenatal stress. To address these questions, we used a mouse model that consists in an intraperitoneal administration of 50 µg/kg dexamethasone (DEX) to dams at gestational days 16-18 (GD16-18). After offspring birth, pups were monitored for several neurodevelopmental milestones. Furthermore, depressive and anxious-like-behaviour were assessed to validate the model at both adolescence (P28) and young adulthood (P58). In vivo evaluation of retinal structure and function was assessed at P60, by optical coherence tomography (OCT) and electroretinography (ERG), respectively. Molecular and cellular analysis of retinal tissue was performed by Western blot and immunohistochemistry, at P14 (infancy) and P60 (young adulthood. Although some neurodevelopment milestones were subtly altered in male and female offspring, no alterations on the eye opening day were observed, suggesting that DEX treatment has no major impact in the maturation of the visual system. Interestingly, the levels of synaptic proteins at P14 decreased in male offspring exposed to prenatal stress; however, this effect did not persist until adulthood. At adulthood (P60), female offspring presented a depressive-like behaviour which was not observed in male offspring, confirming the sex-specific effects of prenatal stress and validating the animal model. Contrasting with the behavioural effects observed in females, the structure and function of their retinas, assessed by OCT and ERG, were not affected by prenatal exposure to DEX. Yet, in male offspring’s retinas at P60 a subtle decrease in photoreceptors’ inner and outer segment layer thickness, as well as alterations in cone photoreceptor function were observed. Surprisingly, at adulthood male offspring presented an increase in protein levels of arrestin, a cone photoreceptor related protein, as well as an increase in the number of retinal ganglion cells, without detection of changes in the function of this cell type. In sum, this study reveals novel insights into the impact of prenatal stress, triggered by exposure to DEX, in the offspring retina and demonstrates some long-term effects on retinal structure and function. The sexually dimorphic alterations observed reinforces the relationship between prenatal stress and neurodevelopment that can be useful to understand the pathophysiology of psychiatric disorders. Nonetheless, the concept of using the retina as biomarker for depression is not applicable in the animal model used, since female offspring with depressive-like phenotype did not exhibit changes at the retinal level.