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Este protocolo presenta un abordaje transescleral transpupilar guiado por visión para administrar de forma segura y precisa injertos celulares subretinianos, con una baja tasa de complicaciones quirúrgicas, en receptores de ratón con o sin degeneración retiniana.
El trasplante de células fotorreceptoras y células epiteliales pigmentarias de la retina (EPR) proporciona una terapia potencial para las enfermedades de degeneración de la retina. El trasplante subretiniano de células terapéuticas de donantes en receptores de ratón es un reto debido al limitado espacio quirúrgico que permite el pequeño volumen del ojo del ratón. Desarrollamos una plataforma de trasplante quirúrgico transescleral con guía visual transpupilar directa para facilitar la administración subretiniana de células exógenas en receptores de ratón. La plataforma se probó utilizando suspensiones de células retinianas y láminas retinianas tridimensionales recolectadas de ratones Rho:: EGFP ricos en bastones y OPN1LW-EGFP ricos en conos; NRL-/- ratones, respectivamente. El ensayo vivo/muerto mostró una baja mortalidad celular para ambas formas de células donantes. Los injertos de retina se administraron con éxito en el espacio subretiniano de un modelo de ratón de degeneración retiniana, Rd1/NS, con complicaciones quirúrgicas mínimas detectadas por imágenes de oftalmoscopio láser de barrido confocal multimodal (cSLO). Dos meses después del trasplante, la tinción histológica demostró evidencia de maduración avanzada de los injertos de retina en bastones y conos "adultos" (por expresión robusta de Rho::EGFP, S-opsina y OPN1LW:EGFP, respectivamente) en el espacio subretiniano. Aquí, proporcionamos una plataforma quirúrgica que puede permitir la administración subretiniana de alta precisión con una baja tasa de complicaciones en receptores de ratones. Esta técnica ofrece precisión y relativa facilidad para adquirir habilidades. Además, la técnica podría utilizarse no solo para estudios de trasplante de células subretinianas, sino también para otros estudios terapéuticos intraoculares, incluidas las terapias génicas.
El trasplante de células fotorreceptoras y epiteliales pigmentadas de la retina (EPR) proporciona una terapia potencial para las enfermedades degenerativas de la retina, como la degeneración macular asociada a la edad (DMAE), la enfermedad de Stargardt y la retinosis pigmentaria (RP)1,2,3,4,5,6,7 . Para reponer o reemplazar los fotorreceptores enfermos y las células del EPR en la retina degenerada, el espacio subretiniano es particularmente adecuado como objetivo de trasplante dada la anatomía laminar de los fotorreceptores del huésped y las células del EPR. Si bien los procedimientos quirúrgicos de trasplante subretiniano de células EPR están bien establecidos en animales grandes 8,9,10 y ensayos clínicos11,12,13, los desafíos que enfrenta la investigación del trasplante de fotorreceptores incluyen la escasez de modelos animales grandes transgénicos y la comprensión limitada de los mecanismos de sinaptogénesis en profundidad involucrados en el trasplante neuronal, entre otras preocupaciones. Los modelos murinos modificados genéticamente, con diversos tipos de mutantes de degeneración retiniana, proporcionan herramientas útiles para estudiar los mecanismos moleculares en el contexto del trasplante y orientar el desarrollo de terapias de reemplazo celular efectivas en la etapa preclínica 14,15,16,17,18.
A diferencia del ojo relativamente grande y el cristalino pequeño en animales grandes (por ejemplo, cerdo, mono), el tamaño pequeño y el cristalino grande de los ojos de ratón los convierten en objetivos quirúrgicos difíciles, especialmente para el trasplante subretiniano en el que las limitaciones de espacio físico y la visualización directa limitada son los principales desafíos.
Los enfoques actuales se pueden clasificar en tres tipos principales en función de la ruta de inyección. En primer lugar, en el caso del abordaje transcorneal, la aguja se pasa a través de la córnea hacia la cavidad vítrea y luego hacia el espacio subretiniano19,20. Con este método se puede lograr un parto subretiniano exitoso, pero el daño a las estructuras del segmento anterior (es decir, córnea, iris, cristalino) es un riesgo importante que puede obstaculizar gravemente el análisis in vivo posterior. En segundo lugar, en el caso del abordaje transvítreo, la aguja entra en la cavidad vítrea a través de la pars plana y luego en el espacio subretiniano21. Este enfoque es ampliamente utilizado en humanos y animales grandes. Sin embargo, existe un riesgo potencial de daño en el cristalino en roedores, ya que el cristalino ocupa un volumen relativo mayor de la cavidad vítrea. En particular, tanto los protocolos transcorneales como los transvítreos requieren la penetración de la retina neural para llegar al espacio subretiniano, lo que causa daño a la retina del huésped y aumenta el riesgo de reflujo de células del donante a través del orificio de penetración. En tercer lugar, en el caso del abordaje transescleral22,23, la aguja penetra a través del complejo escleral-coroides-EPR y entra directamente en el espacio subretiniano. Este enfoque reduce el trauma potencial de las estructuras del segmento anterior y la cavidad vítrea. Sin embargo, sin una visualización directa del fondo de ojo del huésped, se detectan con frecuencia fracasos quirúrgicos causados por punciones transretinianas, desprendimiento de EPR y hemorragia coroidea.
Aquí, desarrollamos una plataforma quirúrgica transescleral con guía visual transpupilar directa para el trasplante subretiniano en receptores de ratón. Validación de la viabilidad de láminas de retina y suspensiones celulares de donantes antes de realizar el trasplante. Se confirmó la entrega exitosa de las células del donante en el espacio subretiniano de un modelo de ratón con degeneración de la retina. Solo se detectaron complicaciones quirúrgicas raras. Además, los fotorreceptores trasplantados en los injertos de retina sobrevivieron y mostraron evidencia de maduración avanzada en bastones y conos "adultos" dos meses después del trasplante.
Todos los experimentos con animales se llevaron a cabo de acuerdo con la Guía de los Institutos Nacionales de Salud para el Cuidado y Uso de Animales de Laboratorio (Publicaciones de los NIH No. 8023, revisada en 1978) y la Declaración de ARVO para el Uso de Animales en la Investigación Oftálmica y de la Visión. Todos los procedimientos fueron aprobados por el Comité de Cuidado y Uso de Animales de la Universidad Johns Hopkins (aprobación M021M459).
1. Animales
2. Recoger la retina neural (Figura 1)
NOTA: Todos los pasos siguientes se realizaron en condiciones estériles. La información de los proveedores de las herramientas y productos de investigación se proporciona en la Tabla de Materiales.
3. Preparar la suspensión retiniana del donante (Figura 1)
4. Preparar las láminas de retina del donante (Figura 1)
NOTA: Este paso sigue a la sección 2 y se realiza bajo un microscopio de disección.
5. Preparar a los ratones receptores
6. Trasplante subretiniano de injertos retinianos (Figura 2)
NOTA: Todos los pasos siguientes se realizaron en condiciones asépticas. Las herramientas quirúrgicas se esterilizaron en autoclave (use bandejas de instrumentos para proteger las puntas de las herramientas y saque el émbolo de las microjeringas para evitar que se atasquen en el lumen). La información de los proveedores de las herramientas y productos de investigación se proporciona en la Tabla de Materiales.
7. Imágenes de oftalmoscopia láser de barrido confocal multimodal (cSLO)
8. Tinción histológica
Los injertos de retina se administran con éxito en el espacio subretiniano y sobreviven in vivo.
El rendimiento de nuestra plataforma de trasplante subretiniano se evaluó en ratones receptores de Rd1/NS de 6 a 8 semanas de edad cuando su retina residual estaba severamente adelgazada debido a la degeneración casi completa de la capa nuclear externa (ONL). Dada la fragilidad de la retina, la escasez de fotorreceptores de conos y la viabilidad relativamente pobre de las células en suspensión en comparación con los donantes de hojas, los ratones ricos en conos (OPN1LW-EGFP; NRL-/-)14 se utilizaron como fuentes de láminas de retina donantes y ratones ricos en bastones (Rho::EGFP) como donantes de suspensiones celulares. La lámina de retina rica en conos y las suspensiones celulares ricas en bastones se administraron con éxito en el espacio subretiniano de todos los ratones receptores utilizando nuestra plataforma quirúrgica, como lo confirman la ampolla subretiniana y la lámina blanca observadas mediante la visualización transpupilar inmediatamente después de la inyección. Dos meses después del trasplante, se realizaron imágenes multimodales de cSLO para rastrear los estados de los injertos de retina in vivo. La OCT transversal mostró que los injertos de retina sobrevivieron en el espacio subretiniano y reconstituyeron la ONL en todos los ratones receptores (Figura 3A). Las imágenes infrarrojas no detectaron cataratas evidentes en todos los ojos trasplantados (Figura 3B). Otras complicaciones quirúrgicas, incluida la hemorragia, rara vez se detectaron en la retina trasplantada (n = 1/10 ojos) mediante imágenes de reflectancia multicolor a los dos meses después del trasplante (Figura 3C). Se realizó una tinción histológica para evaluar más a fondo la supervivencia y el grado de maduración de los fotorreceptores en los injertos de retina. Se observaron abundantes fotorreceptores de cono que expresan OPN1LW:EGFP y S-opsina en láminas retinianas trasplantadas. Del mismo modo, las suspensiones celulares de la retina trasplantadas mostraron una gran proporción de fotorreceptores Rec+ in vivo, incluidos numerosos bastones Rho::EGFP+ (Figura 3D). Los ratones control no trasplantados mostraron una degeneración severa de ONL con escasos fotorreceptores de cono residuales (Rec+). No se detectó ninguna señal de EGFP en la retina Rd1/NS no trasplantada (Figura 3D).
Figura 1: Esquema de recolección de la lámina de retina del donante y suspensiones celulares. Esquemas que muestran los pasos clave de la recolección de suspensiones y láminas de células de la retina de ratones donantes Rho::EGFP . Las imágenes de campo claro y fluorescentes mostraron imágenes representativas de células disociadas y una lámina disecada aislada de ratones Rho::EGFP . Línea punteada amarilla: margen incisional. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2: Procedimientos de trasplante subretiniano de láminas retinianas y suspensión celular en ratones Rd1/NS . (A) Imágenes esquemáticas de la preparación de ratones receptores. (B) Procedimientos quirúrgicos clave y diagramas correspondientes que muestren el trasplante subretiniano de suspensiones y láminas de células retinianas. Los pasos quirúrgicos incluyen: 1. penetrar en la cámara anterior; 2. Deje caer el hialuronato de sodio sobre la córnea, luego monte el cubreobjetos encima del hialuronato de sodio para facilitar la visualización transpupilar; 3. Penetrar en las capas externas de la pared del ojo (complejo esclerótica-coroides-EPR). Los ángulos de penetración de la aguja se encuentran en el panel superior derecho de la ilustración; 4. Inserte la aguja de inyección; 5. Inyectar injertos. Las imágenes representativas muestran la entrega exitosa de suspensiones de células de la retina y láminas en dos receptores individuales, respectivamente. Asterisco: cabeza del nervio óptico; Puntas de flecha rojas: vaso sanguíneo retiniano; Punta de flecha blanca: punta de aguja penetrada; Flechas blancas: suspensiones o láminas retinianas injertadas. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 3: Entrega exitosa de injertos retinianos en el espacio subretiniano y supervivencia in vivo. (A) Las imágenes representativas de SD-OCT mostraron la distribución subretiniana de las láminas de retina trasplantadas y las suspensiones celulares en dos ratones individuales Rd1/NS , respectivamente. Se recolectaron ratones Rd1/NS no trasplantados como control. La región de interés (ROI) se indica mediante cuadros de puntos amarillos en las imágenes de fondo de ojo infrarrojas (IR). La retina interna se designa como láminas de la capa de células ganglionares de la retina (RGC), la capa plexiforme interna (IPL) y la capa nuclear interna (INL). (B) La imagen infrarroja (IR) representativa de un ratón Rd1/NS trasplantado no mostró cataratas a través de la pupila dilatada. (C) Imágenes representativas de reflectancia multicolor (RM) de ojos Rd1/NS trasplantados y no trasplantados. Los ojos trasplantados no presentaron complicaciones quirúrgicas evidentes, incluida la hemorragia. (D) Tinción inmunohistoquímica (IHQ) de ratones Rd1/NS trasplantados (hoja y suspensión) y no trasplantados (control). Los datos mostraron numerosos fotorreceptores injertados que expresaban marcadores específicos de fotorreceptores (Rec), bastones (Rho::EGFP), conos L/M (OPN1LW:EGFP) y conos S (S-opsina) a los dos meses del trasplante. Las láminas retinianas receptoras se identificaron mediante tinción DAPI (azul). Los injertos de retina se identificaron mediante el reportero EGFP (verde). La retina de los ratones no trasplantados mostró una degeneración severa de ONL con escasos fotorreceptores de cono residuales (Rec+). No se detectó ninguna señal de EGFP en la retina Rd1/NS no trasplantada. Las imágenes ampliadas se presentaron en los dos paneles de la derecha. Abreviaturas: RGC: capa de células ganglionares de la retina; INL: capa nuclear interna. ONL: capa nuclear externa. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
El trasplante subretiniano en ratones es técnicamente desafiante debido al pequeño tamaño de los ojos de los ratones. En este estudio, desarrollamos una plataforma simple y reproducible para el trasplante subretiniano en receptores de ratón. La plataforma permite la consistencia en la protección de la viabilidad del donante, el parto subretiniano exitoso y garantiza una baja tasa de complicaciones.
La técnica de trasplante subretiniano que se muestra aquí se desarrolló en base a la vía transescleral, donde la aguja de inyección penetra en las capas externas (complejo esclerótica-coroides-EPR) de la pared ocular. En comparación con el abordaje transcorneal19,20 y transvítreo21,26,27, el abordaje transescleral entra directamente en el espacio subretiniano sin penetrar en las estructuras del segmento anterior ni en la retina neural, lo que permite un trasplante inocuo y reduce el riesgo de reflujo de células del donante a través del orificio penetrante. Un desafío del enfoque transescleral es garantizar que la punta de la aguja se propague a lo largo del espacio subretiniano antes de llegar al sitio de entrega terminal, evitando al mismo tiempo la posible perturbación de las capas adyacentes de EPR y coroides. Es difícil alcanzar estos objetivos a través de un abordaje transescleral tradicional28,29 sin guía visual directa. En este estudio, desarrollamos una plataforma transpupilar guiada por la visión utilizando un microscopio quirúrgico e iluminación externa de la retina para facilitar el trasplante subretiniano en modelos de ratón. La plataforma permite al operador realizar un seguimiento del proceso quirúrgico y del estado de la retina de los receptores al proporcionar una visualización en tiempo real del fondo de ojo del receptor bajo el microscopio quirúrgico. Por ejemplo, la penetración exitosa del complejo esclerótica-coroides-EPR puede validarse simplemente mediante una reflectancia relativamente brillante de la punta de la aguja a través de la visualización transpupilar. Es importante destacar que, cuando se guía por la visualización transpupilar, el operador puede modular con precisión el ángulo y la profundidad de la inyección de acuerdo con la posición relativa entre la aguja y las estructuras anatómicas en la retina receptora (por ejemplo, los vasos retinianos y la cabeza del nervio óptico). Además, la administración precisa de materiales mediante esta técnica puede minimizar el EPR, el traumatismo coroideo y otras complicaciones quirúrgicas. De hecho, descubrimos que las hemorragias se pueden minimizar evitando las maniobras en las proximidades de los vasos sanguíneos de la retina con la ayuda de la visualización transpupilar.
El reflujo de células del donante es una de las principales causas de fracaso quirúrgico post-inyección29,30. Hay múltiples factores involucrados en la promoción del reflujo de células del donante. La presión intraocular alta (PIO) de los ojos receptores causada por las mezclas de células del donante inyectadas es un factor importante que promueve el reflujo de células fuera del ojo. Nuestro protocolo reduce la PIO de los receptores por penetración en la cámara anterior al inicio de la cirugía y permite que la PIO disminuya espontáneamente mediante la salida de líquido acuoso antes de extraer la aguja vítrea de la cavidad vítrea. Un segundo factor es el túnel de inyección no sellado en los ojos de los receptores. Para evitar el reflujo del injerto a través del túnel de inyección, utilizamos una aguja de microinyección de pequeño tamaño (34G) para crear un túnel autosellante al penetrar en la pared del ojo y micropinzas dentadas para sujetar los bordes de la abertura del túnel externo al sacar la aguja. En el trasplante convencional, los injertos con reflujo apenas se detectan porque pueden ocurrir rápidamente o disiparse rápidamente. El hialuronato de sodio, tras la aplicación del cubreobjetos, casi invariablemente se desliza fuera de la córnea para cubrir la mayor parte del limbo y la esclerótica, incluido el sitio de la esclerotomía. Después de la inyección celular, el hialuronato de sodio en el sitio de la esclerotomía puede ayudar a disminuir el flujo masivo de contenido de reflujo, si lo hay, y ayudar a que sean visualmente detectables bajo el microscopio quirúrgico. Además, la ausencia de reflujo también se puede comprobar trazando la constancia de la ampolla subretiniana para las suspensiones celulares y la localización intraocular de la lámina retiniana utilizando nuestro protocolo, lo que podría ser útil para laboratorios donde la tomografía de coherencia óptica (OCT) no está disponible.
Si bien un número sustancial de células fotorreceptoras sobrevivieron en las láminas de retina trasplantadas, no se pudo detectar una orientación celular discernible ni una orientación de la lámina. A pesar de que se ha establecido la administración de láminas retinianas 3D a animales grandes 26,31,32, el espacio subretiniano en ratones, junto con la falta de capacidad de imagen retiniana intraoperatoria, hace que sea muy difícil garantizar el mantenimiento de la orientación de la lámina intraoperatoriamente, así como en el período postoperatorio inmediato durante el cual las células o láminas trasplantadas pueden volverse inestables a medida que el ratón recupera la deambulación.
Describimos una plataforma quirúrgica transescleral con guía visual transpupilar directa para el trasplante subretiniano en receptores de ratón. Esta plataforma permite una alta precisión de inyección y una baja tasa de complicaciones quirúrgicas. Esta plataforma permite la administración precisa de dosis conocidas de células, es relativamente fácil de aprender y facilita la administración subretiniana, además de las inyecciones intrarretinianas o intravítreas para diferentes tipos de agentes terapéuticos, incluida la terapia génica.
MSS es/fue asesor remunerado de Revision Therapeutics, Johnson & Johnson, Third Rock Ventures, Bayer Healthcare, Novartis Pharmaceuticals, W. L. Gore & Associates, Deerfield, Trinity Partners, Kala Pharmaceuticals y Acucela. MSS recibe apoyo de investigación patrocinado por Bayer. Estos acuerdos han sido revisados y aprobados por la Universidad Johns Hopkins de acuerdo con sus políticas de conflicto de intereses. KVL es nombrado como inventor en las solicitudes de patentes de la Universidad de Colorado. MSS e YVL son nombrados como inventores en las solicitudes de patentes de la Universidad Johns Hopkins.
Este trabajo fue financiado por los siguientes fondos: NEI R01EY033103 (MSS), Fundación para la Lucha contra la Ceguera (MSS), Fundación Shulsky (MSS), Fondo Joseph Albert Hekimian (MSS), Fundación Juliette RP Visión (YVL), Investigación para Prevenir la Ceguera (subvención sin restricciones al Instituto Oftalmológico Wilmer de la Universidad Johns Hopkins y al Instituto Oftalmológico Cullen de la Facultad de Medicina Baylor). Agradecemos a la Dra. Malia Edwards (Facultad de Medicina de la Universidad Johns Hopkins) por brindar amablemente capacitación sobre el microscopio.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Artificial tears | CareAll | P31447-04 | |
Coverslips (5mm in diameter) | Deckglaser | N/A | |
Goat anti-GFP (FITC) | Abcam | Ab6662 | |
Goat-anti-rabbit Cy3 | Invitrogen | A10520 | |
Insulin syringe (30G) | Easy Touch | 08496-3015-11 | |
Ketamine | VETone Zetamine | AH2017J | |
Live Dead Viability Kit | Thermo Fisher Scientific | L3224 | |
Micro scissor | Harvard Apparatus | 72-8503 | |
Micro smooth forceps | ASICO | AE-4360 | |
Micro toothed forceps | World Precision Instruments | 555041FT | |
Microinjection needle (26G) | Hamilton | 7804-03 | |
Microinjection needle (34G) | Hamilton | 207434 | |
Microinjection syringe | Hamilton | 7633-01 | |
Papain dissociation kit | Worthington Biochemical | LK003150 | |
Petri-dish (35 mm) | Thermo Fisher Scientific | FB012920 | |
Povidone-iodine (10%) | Betadine Solution | N/A | |
Proparacaine Hydrochloride (0.5%) | Keeler | AX0500 | |
Rabbit anti-recoverin | Millipore | Ab5585 | |
Rabbit anti-S-opsin | Millipore | Ab5407 | |
Sodium hyaluronate | Johnson & Johnson Vision | 10-2400-11 | |
Sterile cotton swabs | Puritan | 25-806 2PC | |
Sterile needle (25G) | BD PrecisionGlide Needle | 305122 | |
Sterile towel drapes | Dynarex | 4410 | |
Surgical materials/reagents | |||
Tropicamide ophthalmic solution | Henry Schein | 112-7192 | |
Xylazine | AnaSed Injection | N/A |
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