Method Article
このプロトコルはラットの視神経鞘を保存する視神経切断を記述します。視神経へのマイクロインジェクションによる静水圧により、完全な切断が生成され、切断された視神経端の縫合レス再選術と、切断モデルにおける軸索コンパートメントの直接ターゲティングが可能になります。
網膜神経節細胞(RGC)の軸索は視神経頭に収束し、網膜から脳に視覚情報を伝達します。緑内障、外傷、虚血性視神経障害などの病状は、RGC軸索を損傷し、視覚刺激の伝達を妨害し、視力喪失を引き起こします。RGC軸索損傷をシミュレートする動物モデルには、視神経の挫傷と切断のパラダイムが含まれます。これらのモデルにはそれぞれ固有の長所と短所があります。視神経の挫傷は、一般に切断よりも重症度が低く、病変部位全体の軸索再生をアッセイするために使用できます。しかし、クラッシュフォースと持続時間の違いは組織の応答に影響を与える可能性があり、その結果、再現性と病変の完全性にばらつきが生じます。視神経離断術では、すべての軸索を完全に損傷する重度で再現可能な損傷があります。しかし、視神経を横断すると、視神経鞘が破られることで血液脳関門が劇的に変化し、視神経が末梢環境にさらされます。さらに、切断部位を超えた再生は、切断された神経端を再認識しなければ評価できません。さらに、明確な変性変化と細胞経路は、クラッシュまたは切断損傷のいずれかによって活性化されます。
ここで説明する方法は、視神経クラッシュモデルと離失モデルの両方の利点を取り入れながら、欠点を軽減します。マイクロインジェクションによって視神経に供給される静水圧は、視神経鞘の完全性を維持しながら視神経を完全に横断します。切断された視神経末端は、軸索再生アッセイを可能にするために再付与されます。この方法の潜在的な制限は、ばらつきの潜在的な原因である完全な切断を視覚化できないことです。ただし、視神経の可視部分が切断されたことを視覚的に確認することは、90〜95%の成功で完全な視神経切断を示しています。この方法は、切断モデルで軸索再生促進戦略を評価したり、軸索コンパートメントを標的とする介入を調査したりするために適用できます。
軸索の損傷と変性は、外傷後の網膜神経節細胞(RGC)や緑内障などの神経変性疾患で発生します1,2。RGCの喪失と網膜突起の混乱は、永久的な視力喪失をもたらします3。変性過程に関与する分子経路を理解し、軸索およびRGCの損失を軽減するための戦略を開発するため、またはRGC軸索を再生するための戦略を開発するために、実験動物モデルを使用して、視神経クラッシュモデルや視神経切断モデルなどの視神経損傷をシミュレートしています。実験モデルを選択する際には、各アプローチの長所と短所、および損傷によって活性化される分子経路を考慮する必要があります4。
ここで説明する方法を開発する理論的根拠は、視神経クラッシュ5 モデルと切断6 モデルの利点を活用しながら、欠点を軽減することです。この方法の目的は、すべての軸索が疑いなく完全に横断され、末梢免疫系への曝露が最小限に抑えられ、視神経の横断された端がRGC再生の評価を可能にするために容易に再割り当てされる再現可能な視神経損傷を生成することでした。さらに、この方法は、損傷したRGCの軸索部分への区画化されたアクセスを可能にし、軸索特異的な介入(神経栄養因子、細胞移植など)を眼窩後視神経に局所的に送達するために開発されました。
この手法には、他の方法に比べて複数の利点があります。視神経クラッシュと比較して、この方法は視神経を完全かつ確実に横断します。これにより、望ましくない軸索スペアリング7の潜在的な問題に対処します。さらに、記載された方法は、挫傷の場合のようにオペレータによって加えられる力の量および持続時間に依存しない重度の軸索損傷を引き起こし、それにより変動性8を減少させる。視神経を横断する確立された方法とは対照的に、このプロトコルで詳述されているアプローチは、視神経鞘の完全性を維持します。視神経鞘を保存する利点は、視神経が末梢免疫系にさらされるのを防ぐことです。さらに、視神経鞘が交差した視神経に加えられる機械的な力は、困難な顕微手術9,10,11を必要とせずに切断された神経端を再調整する。最後に、視神経鞘をそのままにして、この方法では、視神経断端間に物理的な空間を作り出し、幹細胞、神経栄養因子、またはポリマーを病変のあるRGC軸索に直接導入できます。
視神経クラッシュは、視神経再生戦略を評価して治療の有効性を判断するゴールドスタンダードモデルです。げっ歯類の視神経のサイズは、可能な操作、特に神経の切断と再適応を制限します。しかし、脊髄損傷と脊髄再生の分野では、完全切断が軸索再生と温存された軸索12を区別するための理想的なモデルであるというコンセンサスがあります。ここで説明する方法は、視神経切断モデルにおける再生戦略を評価するための技術的な障壁を軽減します。そのため、このモデルは、視神経切断を伴う視神経粉砕パラダイムで特定された有望な戦略を検証するために使用できます。さらに、このモデルは軸索コンパートメントを直接標的としているため、損傷した成人のRGC軸索に対する介入と、軸索の変性および再生プロセスに関与するメカニズムの研究が可能になります。
この研究で説明した視神経切断のモデルは、視神経鞘を維持しながら視神経を完全に横断します。この新しいアプローチは、視神経終末を再認識するという技術的に困難なプロセスを必要とせずに、切断モデルで軸索再生を評価することを目的とした実験に適しています。この技術の側面は、視神経クラッシュを実行するのと似ています。したがって、このアプローチは、視神経クラッシュの経験を持つオペレーターが行うことができます。外科的アプローチは、特別に設計された器具を必要とせず、すぐに入手できる手術器具とマイクロインジェクションシステムを使用して完了できるため、アクセスしやすく経済的です。
動物を含む手順は、退役軍人省サンディエゴヘルスケアシステムの施設動物管理および使用委員会(IACUC)によって承認されました。手術器具と溶液は、術後の感染や合併症を制限するために、手術前に滅菌されました。
1.外科技術
2.麻酔
3. 外科的アプローチ
4.視神経へのアクセス
5. 視神経を視鞘の内側に横断する
6. クロージングとリカバリー
視神経の切断は、通常、損傷後14日以内に損傷したRGCの80〜90%のアポトーシス損失をもたらします。記載されている技術は、視神経鞘の完全性を維持しながら視神経を横断します(図1)。RGC損失の程度は、従来の視神経離断モデルや視神経クラッシュモデルに匹敵し、ここで説明する方法では切断後に切断された神経端が楽に適用できるという利点があります(図2)。この方法で切断された視神経端を再接続すると、軸索が成長する可能性のある基質を提供し、切断された神経端を再接続するための顕微手術操作を必要とせずに、切断モデルでのRGC軸索再生の評価が可能になります(図3)。コレラ毒素Bサブユニット(CTB)を含むRGC軸索の順行性トレースは、CTB陽性軸索が視神経切断をシース温存した後に完全に切断されることを示しています(図4)。視神経を横断しながら視神経鞘を保存すると、神経栄養因子や細胞などの調査材料を損傷したRGC軸索に送達し、所定の位置に維持できる密閉空間も作成されます(図5)。トレーニングの初期段階では、全離骨の成功率は 60 〜 70% と予想されています。経験を積むと、全切断の成功率は約90〜95%です。
図1:視神経鞘を温存しながら視神経を横断する。 (A)切断前に無傷の視神経が露出したことを示す手術野の写真。(B)離反後の視神経の写真。細かいガラスピペットで視神経鞘を切断部位に突き刺し、視神経末端の間の空間に細胞懸濁液(濁液)を送達しました。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図2:視神経鞘温存視神経離断術後の網膜神経節細胞の喪失。 (A)無傷の視神経、(B)視神経離断を保持する視神経鞘、(C)従来の視神経離断、または(D)14日前に視神経挫傷を有する眼から、代表的な全網膜フラットマウントをγシヌクレイン(SNCG)の免疫標識しました。画像は、10倍対物レンズを使用して蛍光顕微鏡から取得し、シェーディングを補正し、ステッチして単一の画像を生成しました。網膜全体の網膜神経節細胞(RGC)体の喪失は、病変のある眼で明らかでした。挿入図は、網膜の高倍率画像を示し、視神経損傷後のRGCの有意な喪失を示しています。(E)RGC生存率の定量化は、対照の無傷の視神経と比較して、視神経損傷後の有意なRGC損失を示しています。*p< 0.05 無傷と比較。事後テューキー検定による一元配置ANOVA。n = グループごとに3匹の動物。エラーバーは、SD.SP-ONT、シース保存視神経切断を表します。ONT、視神経切断;ONC、視神経クラッシュ。スケールバー=1,000μm。インセットのスケールバー= 100 μm。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図3:視神経損傷後の視神経の切片。 (A-C)視神経鞘温存切断、(D-F)従来の視神経切断、または(G-I)視神経粉砕の14日後の視神経を通る縦断面の代表的な画像。(A、D、G)グリア線維性酸性タンパク質(GFAP)の免疫標識は病変の範囲を描写し、4′,6-ジアミジノ-2-フェニルインドール(DAPI)による(B,E,H)DNA標識は、視神経の長さに沿って病変部位内で連続した細胞性を示します。(C,F,I)GFAP陽性神経組織と病変部位の細胞性の局在を示す結合画像。スケールバー = 200 μm. この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図4:視神経鞘に続く視神経の切片で、視神経離断を保存。視神経鞘温存断絶の 14 日後に視神経を通る縦切片の代表的な画像で、硝子体内コレラ毒素 B サブユニット (CTB) 注射による前向性軸索追跡による切断。(A)球体(左)から脳(右)に向かって伸びるCTB標識RGC軸索の完全な病変が観察できる。(B)グリア線維性酸性タンパク質(GFAP)の免疫標識は、視神経の全直径が関与する広範な病変を描写します。(C)4′,6-ジアミジノ-2-フェニルインドール(DAPI)によるDNA標識は、病変部位内の細胞性を示しています。(D)CTB標識軸索、GFAP陽性神経組織、および病変部位の細胞性の局在を示す結合画像。スケールバー = 200 μm. この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図5:細胞移植を受けた交差した視神経の縦断面。 視神経鞘の14日後に視神経を通した縦切片の代表的な画像で、蛍光タンパク質tdTomatoを発現する神経幹細胞(NSC)の切断と移植を保存しています。(A)グリア線維性酸性タンパク質(GFAP)の免疫標識は、横断された視神経末端の完全な分離を示しました。(B)tdTomatoを発現する神経幹細胞は、記載の技術によって形成された空間内に封じ込められ、移植後も生存し続けた。(C)移植されたNSCは、切断された視神経の両側の切断端に直接適用されました。スケールバー、200 μm。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
視神経切断モデルを説明する外科的処置は、以前に発表されています6。ただし、これらのプロトコルで詳述されている技術には、視神経を横断するために髄膜鞘を切開することが含まれます。さらに、以前の切断モデルでRGC軸索再生を評価するためには、切断された視神経端または末梢神経移植片を近位視神経断端10,13に留置するための挑戦的な顕微手術操作が必要でした。ここで説明するプロトコルは、視神経を横断しながら視神経鞘の破壊を最小限に抑え、技術的に困難な顕微鏡手術を必要とせずに、切断モデルでのRGC軸索再生の評価を可能にします。
このプロトコルでは、いくつかの手順が重要です。眼動脈と視神経乳頭に供給する血管系を損傷しないように注意する必要があります。.したがって、ステップ5.1は、地球の少なくとも1.5〜2.0mm後方で完了する必要があります。眼動脈の損傷が発生し、網膜血液供給を混乱させる場合、眼はさらなる実験から除外されるべきです。ステップ5.4-5.6では、視神経鞘の完全性を維持し、ガラスピペットが視神経に入る開口部のサイズを最小限に抑えることが重要です。これにより、ピペットの先端の周りに密閉性が形成され、体液の逆流が減少し、視神経を横断するのに十分な静水圧を発生させることができます。ガラスピペットの先端を面取りすると、巻き添え被害を引き起こすことなく、ピペットが視神経に入りやすくなります。
このメソッドのアクセシビリティを向上させるために、オペレーターが変更できる可能性があります。記載されている手順には、顔面神経と三叉神経の保存を伴う眼窩組織の最小限の解剖と除去が含まれます。これにより、罹患率と出血のリスクが軽減されますが、眼窩脂肪や涙腺などの組織は、重要な構造の視覚化を制限する可能性があります。特に高齢の動物では、手術野を塞いでいる組織を慎重に除去することが、視覚化を強化するために必要になる場合があります。視神経へのアクセスを改善するために、横方向のアプローチも使用できます。ただし、側方解剖は、三叉神経を含む追加の構造に損傷を与えるリスクがあり、より関与しており、注射用の器具を指示するための独自の課題を提示する可能性があります。
この方法の考えられる制限は、視神経を直接操作し、離反全体を完全に視覚化できないことです。そのため、不完全な切断が発生する可能性があります。しかし、ステップ5.8で神経末端が分離していることを視覚的に確認することは、切断が成功し、完全に切断されたことの信頼できる指標であることが観察されました。神経端が分離しない場合は、注射ピペットの位置を変えるか、注射の圧力を50%上げると、神経を完全に横断するのに十分な力が得られるはずです。.
既存の方法に関して、このアプローチは視神経鞘の完全性を維持します。視神経鞘の完全性を維持するために、切断された視神経の末端は眼窩環境や末梢免疫系にさらされないため、RGC応答に影響を与える可能性のある免疫因子への曝露が制限されます。さらに、視神経を横断しながら視神経鞘の完全性を維持することにより、視神経末端と視神経鞘に囲まれた密閉された物理的空間が作られます。神経栄養因子、細胞、またはポリマーの損傷したRGCの軸索コンパートメントへの局所的な送達は、新たに形成された空間に注入することによって達成できます。14 あるいは、RGC 軸索再生は、切断された視神経末端を吻合できるようにすることで、切断モデルで評価できます 挑戦的なマイクロサージェクリー技術を必要とせずに。
この方法の応用には、軸索変性の原因となる経路を特定し、切断損傷後の軸索損失を防ぐための軸索特異的介入による損傷したRGC軸索コンパートメントの評価が含まれます。さらに、この方法により、技術的に困難な視神経吻合手順の必要性を排除することにより、切断モデルでのRGC軸索再生の研究がより広範な研究コミュニティにアクセスできるようになります。RGC 軸索再生の促進を目的とした介入は、この重傷モデルで評価でき、温存された軸索を心配することなく、一貫性のある再現性のある結果を提供できます。
著者には、開示すべき競合または利益相反はありません。
この研究は、K12キャリア開発助成金(5K12EY024225-04、国立眼科研究所)、P30コア助成金(P30EY022589、国立眼病研究所)、Mentoring for the Advancement of Physician Scientists賞(米国緑内障協会)、およびResearch to Prevent Blindness(ニューヨーク州ニューヨーク)からの無制限の助成金によって部分的に支援されました。
Name | Company | Catalog Number | Comments |
4-0 Polyglactin suture | Ethicon | J315H | |
9-0 Polypropylene suture | Ethicon | 1754G | |
Acepromazine | Butler | 003845 | 0.5-4 mg/kg Stock Concentration: 10 mg/mL Final Concentration: 0.25 mg/mL |
Ampicillin | Sandoz | 0781-3404-85 | 80-100 mg/kg Final Concentration: 50 mg/mL |
Anesthesia System | VetEquip | 901806 | |
Animal incubator | Precision Incubators | Chick Chalet II | |
Banamine | Schering-Plough | 0061-0851-03 | 2.5-5 mg/kg Stock Concentration: 50 mg/mL Final Concentration: 0.5 mg/mL |
Borosilicate glass capillaries | World Precision Instruments | 1B150F-4 | |
Colibri forceps | Katena | K5-1500 | |
Dumont #5/45 forceps | Fine Science Tools | 11251-35 | |
Heat therapy pump | Kent Scientific | HTP-1500 | |
Isoflurane | Covetrus | 29404 | |
Johns Hopkins Bulldog Clamp | Roboz | RS-7440 | |
Ketamine | Putney | 26637-411-01 | 40-80 mg/kg Stock Concentration: 100 mg/mL Final Concentration: 25 mg/mL |
Microinjection system (Picospritzer II) | General Valve, Inc | ||
Microliter syringe 5 µL | Hamilton | 88000 | |
Micropipette puller | Sutter Instrument Co. | Model P-77 Brown-Flaming | |
Neomycin/Polymyxin B sulfates/Bacitracin Zinc Ophthalmic Ointment | Bausch + Lomb | ||
PBS | Millipore | BSS-1005-B | |
Povidone-iodine | Healthpets | BET16OZ | |
Proparacaine hydrochloride 0.5% | Bausch + Lomb | ||
Ringers | Abbott | 04860-04-10 | 2-3 mL/injection |
Stereotaxic Frame | Kopf | ||
Surgical Microscope | Zeiss | ||
Vannas scissors | Fine Science Tools | 91500-09 | |
Xylazine | Lloyd | 0410 | 2.5-8 mg/kg Stock Concentration: 100 mg/mL Final Concentration: 5.8 mg/mL |
このJoVE論文のテキスト又は図を再利用するための許可を申請します
許可を申請This article has been published
Video Coming Soon
Copyright © 2023 MyJoVE Corporation. All rights reserved