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Questo protocollo si concentra sul danneggiamento della superficie oculare del pesce zebra attraverso l'abrasione per valutare la successiva chiusura della ferita a livello cellulare. Questo approccio sfrutta una bava oculare per rimuovere parzialmente l'epitelio corneale e utilizza la microscopia elettronica a scansione per tracciare i cambiamenti nella morfologia cellulare durante la chiusura della ferita.
Come la superficie trasparente dell'occhio, la cornea è strumentale per la visione chiara. A causa della sua posizione, questo tessuto è soggetto a insulti ambientali. In effetti, le lesioni oculari più frequentemente riscontrate clinicamente sono quelle alla cornea. Mentre la guarigione delle ferite corneali è stata ampiamente studiata nei piccoli mammiferi (cioè topi, ratti e conigli), gli studi di fisiologia corneale hanno trascurato altre specie, incluso il pesce zebra, nonostante il pesce zebra sia un classico modello di ricerca.
Questo rapporto descrive un metodo per eseguire un'abrasione corneale sul pesce zebra. La ferita viene eseguita in vivo su pesci anestetizzati utilizzando una bava oculare. Questo metodo consente una ferita epiteliale riproducibile, lasciando intatto il resto dell'occhio. Dopo l'abrasione, la chiusura della ferita viene monitorata nel corso di 3 ore, dopo di che la ferita viene rielettileializzata. Utilizzando la microscopia elettronica a scansione, seguita dall'elaborazione delle immagini, la forma della cellula epiteliale e le protrusioni apicali possono essere studiate per studiare i vari passaggi durante la chiusura della ferita epiteliale corneale.
Le caratteristiche del modello zebrafish consentono lo studio della fisiologia del tessuto epiteliale e del comportamento collettivo delle cellule epiteliali quando il tessuto viene sfidato. Inoltre, l'uso di un modello privato dell'influenza del film lacrimale può produrre nuove risposte per quanto riguarda la risposta corneale allo stress. Infine, questo modello permette anche la delineazione degli eventi cellulari e molecolari coinvolti in qualsiasi tessuto epiteliale sottoposto ad una ferita fisica. Questo metodo può essere applicato alla valutazione dell'efficacia del farmaco nei test preclinici.
Poiché la maggior parte degli epiteli sono a contatto con l'ambiente esterno, sono soggetti a lesioni fisiche, rendendoli adatti per lo studio dei processi di guarigione delle ferite. Tra i tessuti ben studiati, la cornea è un modello estremamente utile nello studio degli aspetti cellulari e molecolari della guarigione delle ferite. Come superficie esterna trasparente, fornisce protezione fisica all'occhio ed è il primo elemento a focalizzare la luce sulla retina. Mentre la struttura e la composizione cellulare della retina differiscono tra la specie1, questi elementi della cornea sono generalmente simili in tutti gli occhi di tipo camera, indipendentemente dalla specie.
La cornea è composta da tre strati principali2. Il primo e più esterno strato è l'epitelio, che viene costantemente rinnovato per garantirne la trasparenza. Il secondo strato è lo stroma, che contiene cellule sparse, chiamate cheratociti, all'interno di uno spesso strato di fibre di collagene rigorosamente organizzate. Il terzo e più interno strato è l'endotelio, che consente la diffusione di nutrienti e liquidi dalla camera anteriore agli strati esterni. Le cellule epiteliali e stromali interagiscono attraverso fattori di crescita e citochine3. Questa interazione è evidenziata dalla rapida apoptosi e dalla successiva proliferazione dei cheratociti dopo danno epiteliale 4,5. In caso di una ferita più profonda, come una puntura, i cheratociti prendono parte attiva al processo di guarigione6.
Essendo a contatto con l'ambiente esterno, le lesioni fisiche corneali sono comuni. Molti di loro sono causati da piccoli oggetti estranei7, come sabbia o polvere. Il riflesso dello sfregamento degli occhi può portare a estese abrasioni epiteliali e rimodellamento corneale8. Secondo le dimensioni e la profondità della ferita, queste lesioni fisiche sono dolorose e richiedono diversi giorni per guarire9. Le caratteristiche ottimali di guarigione delle ferite di un modello facilitano la comprensione degli aspetti cellulari e molecolari della chiusura della ferita. Inoltre, tali modelli si sono dimostrati utili anche per testare nuove molecole con il potenziale di accelerare la guarigione corneale, come precedentemente dimostrato10,11.
Il protocollo qui descritto mira a utilizzare il pesce zebra come modello rilevante per studiare le lesioni fisiche corneali. Questo modello è molto conveniente per gli studi di screening farmacologico in quanto consente di aggiungere molecole direttamente all'acqua del serbatoio e, quindi, di entrare in contatto con una cornea curativa. I dettagli forniti qui aiuteranno gli scienziati a eseguire i loro studi sul modello di zebrafish. La lesione in vivo viene eseguita con una bava oculare opaca. L'impatto sulle cellule epiteliali adiacenti o a distanza da esso può essere analizzato rimuovendo specificamente l'epitelio corneale centrale. Negli ultimi anni, numerosi rapporti si sono concentrati su tale metodo sulla cornea dei roditori 12,13,14,15,16,17; tuttavia, ad oggi, solo un singolo rapporto ha applicato questo metodo al pesce zebra18.
A causa della sua semplicità, la ferita fisica è utile per delineare il ruolo delle cellule epiteliali nella chiusura della ferita. Un altro modello ben consolidato di danno corneale è l'ustione chimica, in particolare l'ustione alcalina 19,20,21. Tuttavia, un tale approccio danneggia indirettamente l'intera superficie oculare, compresa la cornea periferica e lo stroma corneale19. In effetti, le ustioni alcaline potenzialmente inducono ulcere corneali, perforazioni, opacizzazione epiteliale e rapida neovascolarizzazione22, e l'esito incontrollabile delle ustioni alcaline squalifica tale approccio per gli studi generali di guarigione delle ferite. Numerosi altri metodi sono utilizzati anche per studiare la guarigione delle ferite corneali secondo il particolare focus dello studio in questione (ad esempio, debridement epiteliale completo23, la combinazione di lesioni chimiche e meccaniche per ferite a spessore parziale24, ablazione laser ad eccimeri per ferite che si estendono allo stroma25). L'uso di una bava oculare limita il punto focale alla risposta epiteliale alla ferita e fornisce una ferita altamente riproducibile.
Come con ogni metodo di inflizione della ferita, l'uso di una bava oculare presenta vantaggi e svantaggi. Lo svantaggio principale è che la risposta essendo per lo più epiteliale, non riflette perfettamente le abrasioni osservate in ambito clinico. Tuttavia, questo metodo presenta numerosi vantaggi, tra cui la facilità con cui può essere impostato ed eseguito, la sua precisione, la sua riproducibilità e il fatto che non sia invasivo, rendendolo un metodo ben tollerato dagli animali.
Tutti gli esperimenti sono stati approvati dal consiglio nazionale per gli esperimenti sugli animali.
1. Preparativi
2. Anestesia
3. Abrasione
4. Raccolta di campioni
5. Elaborazione del campione per microscopia elettronica
6. Imaging (Figura 2)
7. Misurazione della forma, delle dimensioni e del modello di microridge della cella
Questo studio descrive un metodo che utilizza una bava oftalmica in esperimenti di guarigione delle ferite corneali zebrafish. Il metodo è stato modificato da studi precedenti sui topi, dove la bava ha dimostrato di rimuovere gli strati cellulari epiteliali in modo efficiente13. Le sfide nel ferimento corneale del pesce zebra includono le dimensioni relativamente piccole dell'occhio e, nel caso di esperimenti che richiedono tempo, la necessità di mantenere un flusso d'acqua costante attraverso le branchie (come descritto da Xu e colleghi28). I principali vantaggi di questo metodo sono la sua semplicità e velocità. Un microscopio di dissezione standard viene utilizzato per l'uso controllato della bava (Figura 1). Poiché la procedura è di breve durata (circa 3 minuti dall'inizio dell'anestesia), il pesce si riprende bene dalla manipolazione e non è necessaria alcuna attrezzatura aggiuntiva per il mantenimento dell'anestesia e l'erogazione di ossigeno.
Esistono diversi modi per visualizzare la ferita corneale. Questo protocollo utilizza la microscopia elettronica a scansione (SEM, Figura 2), che ha una lunga storia di utilizzo negli studicorneali 29,30. Sebbene questo approccio non consenta una valutazione degli strati inferiori dell'epitelio, fornisce un metodo semplice per stimare la velocità di guarigione delle ferite e confrontare le superfici corneali di diverse regioni dell'occhio. A 3 ore dopo la ferita, mentre l'area della ferita è chiusa (Figura 2), il sito in cui sono uniti i bordi della ferita rimane visibile (Figura 2).
Le cellule superficiali sulla cornea del pesce zebra contengono microridge pronunciate31. Recentemente, uno studio ha riportato che queste strutture sono perse in cellule allungate adiacenti alle ferite sulla pelle di zebrafish32. Tuttavia, i risultati presentati mostrano che sull'epitelio corneale abraso, le microridge possono essere osservate in alcune cellule allungate vicino al sito della ferita (Figura 4B). In alcune regioni periferiche, le microridge vengono perse dal centro della cellula (Figura 4C, D). Per un'analisi più dettagliata, l'area e la rotondità delle cellule apicali sono quantificate, oltre alla quantità di microridge e alla lunghezza media in ImageJ27 (Figura 3 e Figura 4E-H).
L'analisi della microridge viene eseguita utilizzando la funzione Skeleton (modificata da van Loon e colleghi33). Un confronto tra le due regioni periferiche (Figura 4A (regioni C e D), Figura 4C e Figura 4D) rivela che le cellule nella Figura 4D sono più allungate (indicando riarrangiamenti cellulari come reazione alla ferita) e hanno microridge medie più corte rispetto alle cellule nella Figura 4C. Questo risultato suggerisce che il cambiamento nella forma cellulare è correlato con la modifica della microridge e sottolinea l'eterogeneità all'interno dell'epitelio corneale nella risposta della ferita.
Misurare l'area e la rotondità delle cellule apicali su immagini SEM è un modo semplice e riproducibile per ottenere dati quantitativi sull'aspetto cellulare in diverse regioni della cornea. Sebbene limitato al 2D, questo approccio aiuta ad acquisire una comprensione generale della dinamica e della velocità dei riarrangiamenti cellulari durante la chiusura della ferita. Le immagini SEM vengono utilizzate per analizzare i modelli di microridge sulla superficie della cellula apicale. L'elaborazione delle immagini qui descritta fornisce un'approssimazione dei cambiamenti nei parametri microridge, che sarebbe noioso misurare a mano.
Figura 1: La configurazione per l'abrasione corneale. (A) Un microscopio di dissezione è necessario per l'abrasione controllata sul piccolo occhio di zebrafish. (B) La spugna aiuta a stabilizzare il pesce anestetizzato durante la procedura. (C) Il pesce viene anestetizzato su una capsula di Petri e l'animale anestetizzato viene trasferito sulla spugna con un cucchiaino. Una bava oculare con una punta di 0,5 mm viene utilizzata per abradere la cornea. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 2: Visualizzazione della cornea ferita con microscopia elettronica a scansione. La panoramica della cornea abrasa raccolta a 0, 1, 2 o 3 ore dopo la ferita (HPW). Il contorno tratteggiato indica il bordo della ferita. Barre di scala = 500 μm. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 3: Un esempio di modifica dell'immagine prima della misurazione della microridge. Sebbene non sia una replica esatta della superficie cellulare originale, il modello scheletrato finale cattura le differenze tra il centro cellulare e la periferia. Barra della scala = 10 μm. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 4: Un confronto tra l'area delle cellule apicali, la rotondità e i valori di microridge tra due regioni periferiche dopo l'abrasione corneale. (A) Una panoramica dell'occhio ferito. Le caselle indicano la posizione delle immagini di ingrandimento superiore (in B, C e D). (C, D) Le celle selezionate per l'analisi del descrittore di forma sono contrassegnate da un contorno verde. (E, F) Valori di area cellulare apicale (E) e rotondità (F) delle celle selezionate. (G, H) Microridge lunghezza totale (G) e lunghezza media (H) delle stesse celle. I gruppi sono stati confrontati statisticamente con un t-test a due code (*p ≤ 0,05, **p ≤ 0,01) Barre di scala = 500 μm in A, 50 μm in B, C e D. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Le lesioni fisiche corneali sono la causa più comune di visite dei pazienti oftalmologici in ospedale. Pertanto, è importante stabilire modelli pertinenti per lo studio di diversi aspetti della fisiopatologia corneale. Finora, il topo è il modello più comunemente usato per lo studio della guarigione delle ferite corneali. Tuttavia, l'aggiunta di colliri sugli occhi feriti murini per convalidare l'impatto di farmaci specifici sulla guarigione delle ferite corneali può essere difficile. A questo proposito, il modello zebrafish è particolarmente utile per lo screening farmacologico di molecole che influenzano la guarigione delle ferite corneali. Il metodo qui descritto è molto simile a quello descritto per il mouse13.
Due punti specifici di differenza, tuttavia, devono essere tenuti a mente. In primo luogo, l'uso di una bava oftalmica richiede pratica per garantire la riproducibilità della ferita, in particolare per quanto riguarda la pressione esercitata sull'occhio, che è fondamentale per una corretta abrasione. Inoltre, la punta abrasiva deve essere cambiata quando l'epitelio non viene più rimosso in modo efficiente. In secondo luogo, mentre la struttura e la morfologia della cornea del pesce zebra sono simili ad altre cornee31, questo animale possiede capacità rigenerative che non hanno eguali negli organismi dei mammiferi 34,35,36. Mentre la chiusura della ferita nel topo dura per 48-72 h 11,14,37, una timeline di 3 h è riportata per il pesce zebra. A causa delle somiglianze strutturali e molecolari, il comportamento cellulare indotto da una ferita fisica corneale è probabilmente simile nella maggior parte dei vertebrati. Tuttavia, la risposta rapida nel pesce zebra è probabilmente guidata da un meccanismo rigenerativo avanzato specifico per quell'animale.
Il protocollo descritto utilizza SEM per tracciare la chiusura della ferita. Numerosi altri studi hanno utilizzato invece la microscopia a fluorescenza per tracciare questo processo 15,17,38. Tuttavia, l'uso di SEM facilita l'analisi della modifica della forma cellulare a seguito di abrasione epiteliale. Il rovescio della medaglia di questa tecnologia è che le fasi di stratificazione non possono essere tracciate, poiché SEM consente solo l'imaging dello strato più esterno. Per studiare l'epitelio in 3D durante la guarigione corneale completa, devono essere utilizzati modelli fluorescenti, come Zebrabow39 o immunolabeling.
L'uso del pesce zebra come modello di guarigione delle ferite corneali migliora l'ambito di indagine in quanto consente l'applicazione di numerosi strumenti molecolari disponibili, come linee di pesce geneticamente modificate, morfolinos e screening chimico, per espandere significativamente la possibile gamma di studi di guarigione delle ferite corneali. Inoltre, la dimensione degli occhi di zebrafish consente lo sviluppo di nuove strategie di imaging per studiare la dinamica delle cellule epiteliali in modo più dettagliato di quanto si possa fare con gli occhi murini.
L'obiettivo principale di questo rapporto non è solo quello di adattare l'approccio fisico alle ferite corneali al modello di zebrafish, ma anche di dimostrare che l'uso di nuovi modelli consente di porre e rispondere a nuove domande e indica nuovi modi di indagare i fenomeni biologici fondamentali. Questi vantaggi saranno in definitiva vantaggiosi per i pazienti.
Gli autori non hanno conflitti di interesse da divulgare.
Gli autori ringraziano Pertti Panula per l'accesso all'unità Zebrafish e Henri Koivula per la guida e l'aiuto con gli esperimenti di zebrafish. Questa ricerca è stata sostenuta dall'Accademia di Finlandia, dalla Fondazione Jane e Aatos Erkko, dalla Fondazione culturale finlandese e dal programma ATIP-Avenir. L'imaging è stato eseguito presso l'unità di microscopia elettronica e l'unità di microscopia ottica, Istituto di biotecnologia, supportato da HiLIFE e Biocenter Finland.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
0.1M Na-PO4 (sodium phosphate buffer), pH 7.4 | in-house | Solution is prepared from 1M sodium phosphate buffer (1M Na2HPO4 adjusted to pH 7.4 with 1M NaH2PO4). | |
0.2M Na-PO4 (sodium phosphate buffer), pH 7.4 | in-house | Solution is prepared from 1M sodium phosphate buffer (1M Na2HPO4 adjusted to pH 7.4 with 1M NaH2PO4). | |
0.5mm burr tips | Alger Equipment Company | BU-5S | |
1M Tris, pH 8.8 | in-house | ||
adhesive tabs | Agar Scientific | G3347N | |
Algerbrush burr, Complete instrument | Alger Equipment Company | BR2-5 | |
Cotton swaps | Heinz Herenz Hamburg | 1030128 | |
Dissecting plate | in-house | ||
Dissecting tools | Fine Science Tools | ||
double-distilled water | in-house | ||
Eppedorf tubes, 2ml | any provider | ||
Ethyl 3-aminobenzoate methanesulfonate salt | Sigma | A5040 | Caution: causes irritation. |
Glutaraldehyde, 50% aqueous solution, grade I | Sigma | G7651 | Caution: toxic. |
Lidocaine hydrochloride | Sigma | L5647 | Caution: toxic. |
mounts | Agar Scientific | G301P | |
Petri dish | Thermo Scientific | 101VR20 | |
pH indicator strips | Macherey-Nagel | 92110 | |
Plastic spoons | any provider | ||
Plastic tubes, 15 ml | Greiner Bio-One | 188271 | |
Plastic tubes, 50 ml | Greiner Bio-One | 227261 | |
Scanning electron microscope | FEI | Quanta 250 FEG | |
Soft sponge | any provider | ||
Sputter coater | Quorum Technologies | GQ150TS | |
Stereomicroscope | Leica |
Richiedi autorizzazione per utilizzare il testo o le figure di questo articolo JoVE
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