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Method Article
Diese Studie zielt darauf ab, ein neuartiges humanes organotypisches Netzhautkulturmodell (HORC) zu entwickeln, das eine Beeinträchtigung der Netzhautintegrität während der Behandlung mit Explanten verhindert. Dies wird erreicht, indem die Netzhaut mit dem darüber liegenden Glaskörper und dem darunter liegenden retinalen Pigmentepithel-Choroid (RPE-Choroid) und Sklera kultiviert wird.
Frühere humane organotypische Netzhautkulturmodelle (HORC) haben abgelöste Netzhäute verwendet; Ohne die strukturelle Unterstützung durch retinales Pigmentepithel-Aderoid (RPE-Aderoid) und Sklera kann die Integrität der fragilen Netzhaut jedoch leicht beeinträchtigt werden. Ziel dieser Studie war es, ein neuartiges HORC-Modell zu entwickeln, das netzhaut-, RPE-Aderoid und Sklera enthält, um die Integrität der Netzhaut bei der Kultivierung von Netzhautentpflanzungen aufrechtzuerhalten.
Nach dem umlaufenden Schnitt entlang des Limbus, um Iris und Linse zu entfernen, wurden vier tiefe Schnitte gemacht, um die Augenmuschel abzuflachen. Im Gegensatz zu früheren HORC-Protokollen wurde ein Trephin verwendet, um nicht nur die Netzhaut, sondern auch die RPE-Aderhaut und Sklera zu durchschneiden. Die resultierenden dreischichtigen Explanten wurden 72 h lang kultiviert. Hämatoxylin- und Eosinfärbung (H & E) wurde zur Beurteilung anatomischer Strukturen verwendet und Retinaxplanten wurden weiter durch Immunhistochemie (IHC) für Apoptose, Müller-Zellintegrität und Netzhautentzündung charakterisiert. Um die Möglichkeit einer Krankheitsinduktion zu bestätigen, wurden Explanten hoher Glukose (HG) und entzündungsfördernden Zytokinen (Cyt) ausgesetzt, um die diabetische Retinopathie (DR) nachzuahmen. Der Luminex Magnetic Bead Assay wurde verwendet, um DR-verwandte Zytokine zu messen, die in das Kulturmedium freigesetzt wurden.
Die H & E-Färbung zeigte deutliche Netzhautlamellen und kompakte Kerne in netztinalen Explanten mit der darunter liegenden RPE-Aderhaut und Sklera, während Netzhäute ohne die zugrunde liegenden Strukturen eine reduzierte Dicke und einen starken Kernverlust aufwiesen. IHC-Ergebnisse deuteten auf das Fehlen von Apoptose und Netzhautentzündung sowie auf die Erhaltung der Integrität der Müller-Zellen hin. Die Luminex-Assays zeigten eine signifikant erhöhte Sekretion von DR-assoziierten entzündungsfördernden Zytokinen in Retinaxplanten, die HG + Cyt ausgesetzt waren, im Vergleich zu den Ausgangswerten nach 24 h.
Wir haben erfolgreich ein neuartiges HORC-Protokoll entwickelt und charakterisiert, bei dem die Integrität der Netzhaut ohne Apoptose oder Netzhautentzündung erhalten bleibt. Darüber hinaus legt die induzierte Sekretion von DR-assoziierten entzündungsfördernden Biomarkern bei der Exposition von Netzhautentregungen gegenüber HG + Cyt nahe, dass dieses Modell für klinisch übersetzbare Netzhauterkrankungsstudien verwendet werden könnte.
Die Netzhaut ist eine hochspezialisierte Augenstruktur, die dafür verantwortlich ist, einfallende Lichtenergie in elektrische Signale umzuwandeln, die dann vom Gehirn zur visuellen Wahrnehmung verarbeitet werden. Die menschliche Netzhaut enthält einen dynamischen Bereich von Zelltypen, hochorganisiert in einer einzigartigen lamellenförmigen Struktur, die aus zwei synaptischen und drei Kernschichtenbesteht 1 (Abbildung 1). Die retinale Homöostase wird durch die komplizierten Verbindungen zwischen neuroretinalen Zellen, Blutgefäßen, Nerven, Bindegewebe und dem RPE1 aufrechterhalten. Aufgrund der ausgefeilten Netzhautanatomie und Physiologie sind die Mechanismen vieler Netzhauterkrankungen immer noch wenig verstanden2,3,4,5. Um Netzhauterkrankungen besser untersuchen zu können, wurden HORC-Modelle entwickelt6,7,8,9. Im Vergleich zu Tierversuchen und In-vitro-Kulturen sind HORC-Modelle von Vorteil, da sie die dynamische zelluläre Umgebung und komplexe neurovaskuläre Interaktionen in situ beibehalten und ein gutes Modell für die klinische Translation bieten.
Abbildung 1: Hintere Augenstrukturen des menschlichen Auges. Anterior bis posterior sind die Netzhautschichten: Nervenfaserschicht (NFL), Ganglienzellschicht (GCL), innere plexiforme Schicht (IPL), innere Kernschicht (INL), äußere plexiforme Schicht (OPL), äußere Kernschicht (ONL), Photorezeptor-Innensegment (IS) und Photorezeptor-Außenschicht (OS). Zu den Zellen innerhalb der Netzhaut gehören Ganglienzellen (blau), amakrine Zellen (gelb), bipolare Zellen (rot), horizontale Zellen (violett), Stäbchenphotorezeptoren (rosa) und Zapfenphotorezeptoren (grün). Der Glaskörper befindet sich vor der Netzhaut. RpE, Bruch-Membran, Aderhaut und Sklera befinden sich hinter der Netzhaut. Beachten Sie, dass das gezeigte Bild nur eine schematische Darstellung der Netzhaut ist und das Verhältnis von Zellen / Netzhautkonnektivität innerhalb jeder Schicht möglicherweise nicht auf die In-vivo-Einstellung hinweist. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Zuvor charakterisierte HORC-Protokolle6,7,8,9 beinhalteten die Trennung der Netzhaut von der darunter liegenden RPE-Aderhaut und Sklera mit einem chirurgischen Trephin. Ohne die Unterstützung durch diese zugrunde liegenden Strukturen wird die durchscheinende Netzhaut jedoch dünn, schwer zu handhaben und Werkzeuge wie eine Zette können ihre Integrität leicht stören. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass die Isolierung der Netzhaut in Kultur ohne RPE Ganglienzellapoptose und Photorezeptordegeneration verursacht10,11,12. Daher wäre ein alternatives HORC-Protokoll nützlich, das den Verlust der Netzhautintegrität minimiert und die In-vivo-Umgebung besser nachahmt. Dies ist besonders wichtig bei der Untersuchung von Mechanismen von Netzhauterkrankungen, da körperliche Verletzungen während des Explant-Handlings Artefakte verursachen können. Ziel dieser Studie war es daher, ein neuartiges HORC-Modell zu entwickeln, das die RPE-Aderhaut und die Sklera umfasst, um die Integrität der Netzhaut während der Explant-Handhabung und -Kultur zu schützen.
Um dieses Ziel zu erreichen, wurden Netzhautexplanten extrahiert, die zwischen dem Restgetres und der darunter liegenden RPE-Aderhaut und Sklera "eingeklemmt" waren. Bei den Sandwich-Explantaten belastet der Glaskörper die Netzhaut, um netzhautablösung und -faltung zu verhindern, während die zähe, faserige Sklera sowohl als Gerüst für die strukturelle Unterstützung als auch als Kontaktpunkt für die Zierzette fungiert. Darüber hinaus haben Tiermodelle gezeigt, dass die Beibehaltung des RPE in Kultur Netzhautdegeneration und Gliavermehrung verhindern kann, eine Reaktion von Müller-Zellen auf Gefahrensignale wie Hypoxie und Entzündung10,11,12.
Zur Charakterisierung des Modells wurden Sandwich-Netzhaut-Explanten mit Hämatoxylin und Eosin (H & E) gefärbt, um anatomische Strukturen zu bewerten, und es wurde eine Immunhistochemie (IHC) durchgeführt, bei der Explanten mit terminaler Desoxynukleotidyltransferase dUTP-Nick-End-Markierung (TUNEL, ein apoptotischer Zellmarker), Gliafibrilläres saures Protein (GFAP, eine Netzhautentzündung und Müller-Zellaktivierungsmarker) und Vimentin, ein Marker für die Integrität von Müller-Zellen, markiert wurden. Um festzustellen, ob dieses Modell zur Entwicklung molekularer Krankheitszeichen veranlasst werden kann, wurden die Explanten hoher Glukose (HG) mit entzündungsfördernden Zytokinen (Cyt), Interleukin-1β (IL-1β) und Tumornekrosefaktor-α (TNF-α) ausgesetzt, einer Kultivierungsumgebung, die nachweislich diabetische Retinopathie (DR) in Zell- und Tierkrankheitsmodellen nachahmt13,14,15. Luminex-Assays wurden im DR-Modell verwendet, um Zytokine zu messen, die in das Kulturmedium freigesetzt wurden.
Menschliche Spenderaugenbecher wurden von der New Zealand National Eye Bank nach Hornhautexzision zur Transplantation erhalten und vom Northern B Health and Disability Ethics Committee (NTX/06/19/CPD/AM07) genehmigt.
HINWEIS: Die Kultur sollte in einer Biosicherheitswerkbank der Klasse II durchgeführt werden, um sterile Gewebekulturbedingungen zu gewährleisten. Das Gewebe muss innerhalb von 24 Stunden post mortem kultiviert werden, um einen signifikanten Verlust der Netzhautintegrität zu vermeiden.
Abbildung 2: Bilder, die das Verfahren zum Sammeln der Sandwich-Netzhaut-Explanten zeigen. Verwenden Sie für die Explantierungsvorbereitung eine Sezierenschne mit einer scharfen Spitze und einem stumpfen Ende, wobei das stumpfe Ende zur Innenseite des Globus zeigt, um Gewebeschäden während des Schnitts zu reduzieren. Verwenden Sie auch eine Zette mit stumpfen Enden, um zu vermeiden, dass das intraokulare Gewebe während der Handhabung zerkratzt wird. Schneiden Sie mit einer chirurgischen Schere, wobei das stumpfe Ende nach innen zeigt, entlang des Limbus, um die Iris und die Linse (A-C )zu entfernen. Der ONH kann lokalisiert werden, wenn man direkt in die geöffnete Augenmuschel schaut (D). Halten Sie mit einer Zette mit stumpfen Spitzen die Sklera, um den Globus zu stabilisieren (E). Teilen Sie den Globus vertikal in zwei Hälften, indem Sie zwei tiefe Einschnitte in Richtung ONH machen, aber schneiden Sie nicht durch den ONH. Wiederholen Sie dies entlang des horizontalen Meridians (G). Tragen Sie eine stumpfe Zette auf die Sklera auf und öffnen Sie die Kugel vorsichtig zu einer Kleeform (H-K). Verwenden Sie eine Zette, um den Glaskörper vorsichtig zu manipulieren, um die gefaltete Netzhaut zu glätten, da der Glaskörper auf die Netzhaut zieht, aber berühren Sie die Netzhaut nicht direkt (I). Entfernen Sie den Glaskörper, wenn er zu netzhautablösungen oder -falten führt (in Abbildung 2 nicht dargestellt, da der transparente Glaskörper auf Fotos nicht gut erfasst ist). Lokalisieren Sie Bereiche, in denen die Netzhaut flach ist, und extrahieren Sie Netzhautexplanten mit einem chirurgischen Trephin (L). Durch Anlegen einer Zette an der Sklera, vorsichtig die Netzhauterregungen in das vorbereitete Kulturmedium (M, N) übertragen. Die gesamte Sandwich-Explant sollte aufgrund ihres Gewichts auf den Boden des Brunnens sinken, daher wird jede Explant in das Medium getaunken (O). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
1. Extraktion der Sandwich-Netzhaut-Explanten aus der Augenmuschel
2. Paraffin-Einbettung der Sandwich-Netzhaut-Explanten
3. Charakterisierung mit H&E, IHC und einem Magnetic Luminex Assay
Die Integrität der Netzhaut wurde in diesem HORC-Modell erhalten. Die Integrität der Netzhaut blieb in den kultivierten Sandwich-Netzhaut-Explantierungen erhalten, ging aber in der Netzhaut verloren, die ohne benachbarte Strukturen kultiviert wurde. H & E wurde durchgeführt, um die strukturelle Integrität von schnitten Sandwich-Netzhaut-Explanten nach 72 h in Kultur zu untersuchen. Die Sandwich-Netzhaut-Explantierungen zeigten eine erhaltene Integrität und eine ausg...
HORC ist derzeit das klinisch am besten übersetzbare Modell in der präklinischen Netzhautforschung. Im Vergleich zu In-vitro-Zellkulturmodellen kann HORC die Anatomie der menschlichen Netzhaut in situ besser darstellen, indem die dynamischen Netzhautzelltypen und ihre Verbindungen mit Neuronen, Vaskulaturen und der extrazellulären Umgebung erhalten bleiben19. Im Vergleich zu Tiermodellen sind HORC vorteilhafter bei der Untersuchung der Pathophysiologie und der Gestaltung pharmazeutischer Behand...
Die Autoren haben nichts preiszugeben.
Die Autoren danken den großzügigen Spendern von Augengewebe und dem Team der New Zealand National Eye Bank für ihre Unterstützung. Diese Arbeit wurde durch Projektzuschüsse des Maurice and Phyllis Paykel Trust und der Auckland Medical Research Foundation (1117015) finanziell unterstützt. Die Leitung von IDR wird von der Buchanan Charitable Foundation unterstützt. Das Stipendium von CK wird vom New Zealand Association of Optometrists Education and Research Fund (CC36812) und das Stipendium der HHL von der Buchanan Charitable Foundation bereitgestellt.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Disposable Biopsy Punches (5 mm) | Integra York PA Inc., USA | 21909-142 | Referred as surgical trephines in this article |
Human Recombinant IL-1β | Peprotech, USA | 200-01B | Working concentration: 10 ng/mL |
Human Recombinant TNF-a | Peprotech, USA | 300-01A | Working concentration: 10 ng/mL |
DAPI (1 µg/mL) | Sigma Aldrich, Germany | #D9542 | Nuclear stain. Working dilution 1:1000 |
DMEM/F-12, GlutaMAX supplement | Gibco, Thermofisher, Scientific Inc., USA | 10565018 | Dulbecco’s Modified Eagle Medium nutrient mixture F-12 containing a 1× antibiotics and antimycotics mixture (AA, 100× stock) |
Fine Scissors - Sharp-Blunt | Fine Science Tools (F.S.T) | 14028-10 | Tips: Sharp-Blunt, Cutting Edge: 27mm, Length: 10cm, Alloy/Material: Stainless Steel, Serrated: No, Tip Shape: Straight |
Graefe Forceps | Fine Science Tools (F.S.T) | 11050-10 | Length:10cm, Tip shape: Straight, Tips: Serrated, Tip Width: 0.8mm, Tip Dimensions:0.8 x 0.7mm, Alloy/Materials: Stainless Steel |
Mouse monoclonal GFAP-Cy3 | Sigma Aldrich, Germany | #C9205 | Primary antibody conjugated to Cy3. Working dilution 1:1000. |
Mouse monoclonal Vimentin-Cy3 | Sigma Aldrich, Germany | #C9080 | Primary antibody conjugated to Cy3. Working dilution 1:50. |
Rabbit polyclonal TUNEL (In Situ Cell Death Detection Kit, Fluorescein) | Sigma Aldrich, Germany | #11684795910 | Primary antibody conjugated to Fluorescein-dUTP. Working dilution 1:10 with enzyme-buffer solution. |
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