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Diese Methode modelliert die Kataraktchirurgie in vivo , indem Linsenfaserzellen von adulten Mäusen entnommen und der Kapselsack mit angehängten Linsenepithelzellen (LECs) zurückgelassen wird. Das Verletzungsansprechen wird dann zu verschiedenen Zeitpunkten nach der Operation anhand molekularer und morphologischer Kriterien beurteilt.
Die Kataraktchirurgie (CS) ist eine wirksame Behandlung des Grauen Stars, einer der Hauptursachen für Sehbehinderungen weltweit. CS führt jedoch zu Augenentzündungen und kann langfristig zu einer posterioren Kapseltrübung (PCO) und/oder Linsenluxation führen, die durch das postoperative Überwachsen von Linsenepithelzellen (LECs) und deren Umwandlung in Myofibroblasten und/oder aberrante Faserzellen verursacht wird. Die molekularen Mechanismen, durch die CS zu Entzündungen und PCO führt, sind jedoch noch unklar, da die meisten In-vitro-Modelle die Wundheilungsreaktion von LECs in vivo nicht rekapitulieren, während traditionelle Tiermodelle der Kataraktchirurgie, wie z. B. Kaninchen, die genetische Manipulation der Genexpression nicht zulassen, um Mechanismen zu testen. In jüngster Zeit haben unser Labor und andere erfolgreich genetisch veränderte Mäuse eingesetzt, um die molekularen Mechanismen zu untersuchen, die die Induktion der proinflammatorischen Signalübertragung und den Übergang von LEC vom Epithel zum Mesenchym steuern, was zu neuen Erkenntnissen über die PCO-Pathogenese führt. In dieser Arbeit berichten wir über das etablierte Protokoll zur Modellierung der Kataraktchirurgie in Mäusen, das ein robustes transkriptionelles Profiling der Reaktion von LECs auf die Entfernung von Linsenfaserzellen mittels RNAseq, die Bewertung der Proteinexpression durch semiquantitative Immunfluoreszenz und die Verwendung moderner genetischer Werkzeuge der Maus ermöglicht, um die Funktion von Genen zu testen, von denen angenommen wird, dass sie an der Pathogenese akuter Folgeerkrankungen wie Entzündungen sowie der späteren Umwandlung von LECs in Myofibroblasten beteiligt sind und/oder abweichende Linsenfaserzellen.
Die Linse ist ein hochorganisiertes, transparentes Gewebe, das Licht bricht, um ein klar fokussiertes Bild auf der Netzhaut zu erzeugen 1,2,3. Dieses spezialisierte Organ ist von einer ununterbrochenen Basalmembran (der Kapsel) umgeben, die die Linse von anderen Teilen des Auges isoliert. Die innere vordere Oberfläche der Kapsel verankert eine Monoschicht aus Linsenepithelzellen (LECs), die sich dann am Linsenäquator in Linsenfaserzellen differenzieren, die den überwiegenden Teil der Linseausmachen 3. Ein Grauer Star tritt auf, wenn die Linse aufgrund von Faktoren wie Alterung, genetischer Mutation, UV-Strahlung, oxidativem Stress und Augentrauma ihre Transparenz verliert4. Der Graue Star ist weltweit eine der Hauptursachen für Erblindung, insbesondere in Ländern mit schlechter medizinischer Versorgung5. Dieser Zustand kann jedoch jetzt leicht durch chirurgische Entfernung von undurchsichtigen Linsenzellen durch Phakoemulsifikation behandelt werden, bei der die zentrale Linsenkapsel und das daran befestigte Linsenepithel entfernt werden, gefolgt von der Verwendung einer vibrierenden Sonde, um die Zellmasse der Linse in kleinere Fragmente zu zerlegen, die abgesaugt werden können; Zurück blieb ein Kapselsack mit einigen angehängten äquatorialen LECszurück 1. Die Wiederherstellung des Sehvermögens erfolgt dann in der Regel durch die postoperative Implantation einer künstlichen Intraokularlinse (IOL).
Während die Kataraktchirurgie (CS) eine hochwirksame und minimalinvasive Behandlung des Grauen Stars ist, kann die postoperative Genesung eines Patienten durch die Entwicklung einer Augenentzündung akut behindert werden 5,6,8. Diese Entzündung kann postoperative Schmerzen, Netzhautödeme, die zu einer Netzhautablösung führen, sowie eine Verschlimmerung anderer entzündlicher und fibrotischer Erkrankungen wie Uveitis und Glaukom verursachen 4,7,8,9. Augenentzündungen nach CS (PCS) werden im Allgemeinen mit entzündungshemmenden Augentropfen behandelt, die durch eine schlechte Compliance der Patienten oder eine tropfenlose Kataraktoperation geplagt werden, die zu einer erhöhten Prävalenz von Floatern führen kann 8,10,11. Langfristig können die Ergebnisse der CS durch die Entwicklung einer posterioren Kapseltrübung (PCO) beeinträchtigt werden12. PCO tritt auf, wenn verbleibende LECs, die nach der Operation zurückbleiben, eine Wundheilungsreaktion durchlaufen, sich vermehren und nach Monaten bis Jahren in die hintere Linsenkapsel wandern, was zu einer sekundären Sehobstruktion beiträgt13,14.
Das Verständnis der molekularen Mechanismen, durch die CS zu solchen akuten und chronischen Reaktionen führt, stellt eine große Herausforderung auf diesem Gebiet dar, da ein Großteil der Literatur, die PCO untersucht, auf der Induktion der LEC-Umwandlung in Myofibroblasten in Kultur durch Behandlung mit dem aktiv transformierenden Wachstumsfaktor beta (TGFβ) beruht12,15. Menschliche Kapselbeutelmodelle, die aus in vitro kultivierten Leichenlinsen hergestellt wurden, spiegeln die Biologie der Linsen-PCS besser wider, da LECs auf ihrer nativen Basalmembran kultiviert werden, aber schwer mechanistisch zu manipulieren sind, die intraokulare Umgebung nicht rekapitulieren und aufgrund der Variabilität von Linse zu Linse (oder von Spender zu Spender) inhärent variabel sind16,17. Kaninchen 1,18 und nicht-menschliche Primaten19,20 In-vivo-Modelle der Kataraktchirurgie überwinden einige dieser Probleme, sind aber für mechanistische Studien immer noch nicht leicht zu manipulieren. Bemerkenswert ist, dass eine frühere Studie zur Linsenregeneration von Säugetieren innerhalb von vier Wochen nach der Entnahme von Linsenfaserzellen von Mäusen eine signifikante Linsenregeneration ergab, wobei die Linsenepithelzellen und die Kapsel zurückblieben, während kein Nachwachsen der Linsen auftrat, wenn die gesamte Linse entfernt wurde21,22. Anschließend haben wir dieses Verfahren gestrafft und für die Untersuchung der akuten Reaktion von LECs auf die Entfernung von Linsenfaserzellen und deren anschließende Umwandlung in eine gemischte Population von Zellen mit Myofibroblasten- und Faserzelleigenschaften optimiert.
Anhand dieses Mausmodells der Kataraktchirurgie haben wir gezeigt, dass Linsenepithelzellen ihr Transkriptom drastisch um 6 Stunden PCS umgestalten, um zahlreiche proinflammatorische Zytokinezu produzieren 23, während sie bereits 24 h PCS12,23 beginnen, fibrotische Marker zu exprimieren, bevor die kanonische TGFβ-Signalgebung einsetzt. Mechanistische Experimente an Knockout-Mäusen mit diesem Modell zeigten, dass die zelluläre Fibronektinexpression durch LECs für eine anhaltende fibrotische Reaktion auf PCS erforderlich ist, wahrscheinlich aufgrund seiner Rolle bei der Assemblierung der fibrotischen EZM und der Zellsignalisierung12. Andere Studien zeigten, dass αVβ8-Integrin aufgrund seiner Funktion bei der TGFβ-Aktivierung für den Übergang von LECs zu Myofibroblasten erforderlich ist, und das Potenzial dieses Ansatzes zur Identifizierung von Anti-PCO-Therapien wurde bestätigt, da ein αVβ8-Integrin-Antagonist auch LEC EMT15 blockierte.
Hier stellen wir ein detailliertes Protokoll zur Verfügung, das beschreibt, wie die Linsenfaserzellen von lebenden Mäusen entfernt werden (Abbildung 1und Abbildung 4), während die Linsenkapsel und die LECs zurückbleiben, um die LEC-Reaktion auf eine Kataraktoperation zu modellieren.
Das folgende Protokoll wurde vom Institutional Animal Care and Use Committee der University of Delaware unter Protokoll #1039-2021-1 genehmigt. In Übereinstimmung mit der Vereinigung für Forschung im Sehen und in der Ophthalmologie (ARVO) für die Verwendung von Tieren in der Augen- und Sehforschung24 können alle Operationen zum Überleben des Auges nur an einem Auge durchgeführt werden. In der Materialtabelle finden Sie Einzelheiten zu den in diesem Protokoll verwendeten Reagenzien und Instrumenten. Alternative Ansätze für die Extraktion der Linsenfasern und das Nähen sind in Abbildung 2 und Abbildung 3 dargestellt.
1. Tiere
2. Vorbereitung von Lösungen und chirurgischen Instrumenten
3. Vor der Anästhesie
4. Anästhesie
5. Den Schnitt machen
6. Trennen der Linsenfasern vom Kapselsack
7. Aufblasen der Vorderkammer und Vernähen des Hornhautschnitts
8. Nachsorge
HINWEIS: Eine topische antibiotische Salbe wird auf das Auge aufgetragen und Analgetika werden verabreicht. Mäuse zeigen in der Regel nach der ersten Operation keine Anzeichen von Beschwerden. Bei Bedarf kann eine Version von Buprenorphin mit langsamer Freisetzung verwendet werden.
9. Überwachung der Rückgewinnung der Tiere
10. Euthanasie
11. Durchführung weiterer Analysen an entnommenen Linsengeweben
Basierend auf den Ergebnissen dieser Operationsmethode hat das Duncan Lab dieses Mausmodell der Kataraktchirurgie verwendet, um einen Verlauf der Verletzungsreaktionszeit von Linsenepithelzellen nach der Operation zu konstruieren (Abbildung 5). 6 Stunden nach der Operation sind 5 % des Epitheltranskriptoms der Linse differentiell exprimiert (Abbildung 6A), einschließlich der Hochregulierung zahlreicher Gene für die unmittelbar...
Diese Operationstechnik erfordert eine fortgeschrittene Handhabung der Maus und mikrochirurgische Fähigkeiten, die Übung erfordern, um sich zu entwickeln. Am schwierigsten zu meistern ist das Platzieren von feinen Nähten in der Hornhaut, um die Wunde zu verschließen. Nehmen wir an, der Experimentator ist ein absoluter Neuling im Nähen. In diesem Fall wird empfohlen, zuerst mit Schnur und Tuch zu üben und dann mit großen Nähten an kleinen Früchten zu üben, um die erforderlichen ...
Das Duncan-Labor hat von Pliantx finanzielle Unterstützung erhalten, um Anti-PCO-Therapien mit diesem Operationsmodell zu testen.
Diese Arbeit wurde vom National Eye Institute (EY015279 und EY028597) und dem Delaware INBRE (P20 GM103446) unterstützt.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
0.5% Erythryomycin opthalmic ointment USP | Baush Lomb | 24208-910-55 | |
1% Atropine sulfate ophthalmic solution | Amneal | 60219-1748-2 | |
1% Tropicamide opthalmic solution USP | Akorn | 17478-102-12 | |
10-0 Nylon suture | Ethicon | 7707G | |
2.5% Phenylephrine hydrochloride ophtahlmic solution USP | Akorn | 17478-200-12 | |
26 G 1/2 Needles - straight | BD PrecisionGlide | 5111 | |
27 G 45° bent dispensing tip 1" | Harfington | ||
Balanced saline solution | Phoenix | 57319-555-06 | |
Bupranorphine (0.1 mg/kg) | APP Pharmaceticals | 401730D | |
Chlorhexidine solution | |||
Needle holder 2-110 | Duckworth & Kent | 2-110-3E | |
Noyes scissors, straight | Fine Science Tools | 12060-02 | |
SMZ800 Nikon model microscope | Nikon | ||
Sterile disposable scalpel No.11 | Feather | 2975#11 | |
Tweezers #5 Dumont | Electron Microscopy Sciences | 72700-D | |
Xylazine/Ketamine/Acepromazine (35 mg/kg, 80 mg/kg, 0.5 mg/kg) solution | APP Pharmaceticals | 401730D |
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