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現在のプロトコルは、網膜下デバイスの移植のための強膜アプローチ、研究中の網膜疾患の動物モデルでの実装のための実行可能な外科的技術について説明します。
加齢黄斑変性症(AMD)などの網膜変性症は、世界中で失明の主な原因となっています。幹細胞ベースの治療を含む、AMDの再生医療ベースの治療法を開発するために、無数のアプローチが行われています。網膜変性の動物モデルとしてのげっ歯類は、さまざまな段階で網膜変性疾患を発症する幅広い株があるため、トランスレーショナルリサーチの基盤です。しかし、げっ歯類における網膜下インプラントのヒト治療送達を模倣することは、レンズサイズや硝子体容積などの解剖学的な違いにより困難です。この外科的プロトコルは、ラットの網膜下腔にインプラントを移植するためのガイド付き方法を提供することを目的としています。重要なステップのユーザーフレンドリーな包括的な説明が含まれています。このプロトコルは、ラットのさまざまな前臨床試験で再現性を高めるための費用対効果の高い外科的処置として開発されました。手術実験を行う前に、インプラントの寸法の調整など、人間サイズのインプラントの適切な小型化が必要です。硝子体内処置の代わりに外部アプローチを使用して、インプラントを網膜下腔に送達します。小さな鋭い針を使用して、側頭上象限で強膜切開を行い、続いて眼圧を下げるための穿刺を行い、それによって外科的移植中の抵抗を最小限に抑えます。次に、切開部からの平衡塩溶液(BSS)注入を行い、限局性網膜剥離(RD)を達成します。最後に、インプラントの網膜下腔への挿入と視覚化が行われます。インプラントの網膜下配置の術後評価には、スペクトル領域光干渉断層撮影法 (SD-OCT) によるイメージングが含まれます。イメージングのフォローアップでは、組織学的分析のために眼球を採取して固定する前に、インプラントの網膜下安定性を確認します。
加齢性黄斑変性症(AMD)は、世界中で失明の主な原因です。2020年にAMDに罹患した人の数は1億9,600万人と推定され、これが2040年までに約2億8,800万人に増加すると予測されています1。過去 10 年間で、AMD の後期段階に関連する視覚変化を緩和するためのいくつかの治療法が開発されてきました。これは主に、滲出型 AMD で観察される脈絡膜新生血管の進行と進行を治療するためです。逆に、網膜色素上皮(RPE)細胞の機能不全と喪失がRPEと網膜萎縮に進行する乾性AMDの治療は、AMDの85%から90%を占めると推定されており、世界中での有病率は0.44%です1,2。AMDは、年齢、遺伝的、および環境的要因が疾患の発症と進行に寄与する多因子性疾患として説明されています。この疾患に関連するさまざまな病態生理学的経路に対処するために、いくつかの治療法が開発されています3。
幹細胞ベースの治療は、乾性AMD4のRPEの失敗を置き換える新しい治療オプションとして開発されました。多能性幹細胞の使用はまだ初期の臨床試験段階にありますが、安全性はいくつかの臨床試験で実証されています5,6,7。今日まで、幹細胞を網膜下腔に展開するための2つの主要な経路がある:懸濁液または生体適合性インプラント8,9,10,11,12に播種された単層パッチの挿入である。前臨床試験で幹細胞ベースの治療を使用する新しい戦略には、幹細胞ベースの治療薬をヒトで意図したのと同じ標的部位に送達できる動物モデルが必要です。解剖学的構造の違いは、最終的な人間の製品13,14で使用されるものと比較して、手順、手術器具、およびアプローチにわずかな変更を必要とするかもしれません。眼科手術技術の変更は、異なる動物モデル15,16,17で使用するための成功したアプローチとして広く説明されている必要な変更の1つである。
以前の出版物では、ラットの網膜下インプラントの外科的技術について言及されていますが、研究者が遭遇する可能性のある技術的困難を克服するためのそのような技術についての包括的な説明はありません。したがって、外科的技術を詳細に適切に説明し、回避するためのベストプラクティスと学んだ教訓を提供し、必要に応じて、手順全体の重要なステップ中の問題に対処する必要があります。この原稿の目的は、ラットの網膜下腔へのインプラントの外科的移植に関する包括的なガイドラインを提供することです。
すべての実験は、南カリフォルニア大学の動物管理・使用委員会(IACUC)によって承認され、国立衛生研究所(NIH)の実験動物の管理と使用に関するガイドおよび眼科および視覚研究における動物の使用に関するARVO(The Association for Research in Vision and Ophthalmology)の声明に従って実施されました。本研究では、合計12匹のRoyal College of Surgeon(RCS)雄ラットが使用されました。動物は動物施設で飼育され、生後1日±28歳に達すると研究に含まれました。眼科の完全検査を実施し、眼の異常がないことを確認しました。網膜下インプラントは、パリレンCから作られ、ビトロネクチンでコーティングされた極薄の膜で、特定の商業組織によって設計されました( 材料の表を参照)。これらの膜は、その厚さと透過性の点で人間サイズの膜を再現しています(厚さ6.0μmのメッシュフレームと極薄領域に20μmの円形の細孔)。ヒトサイズの膜からの長さと幅(1.0mm×0.4mm)の小型化は、げっ歯類の眼18内の網膜下インプラントを収容するために達成された。
1.動物の世話と手術の準備
2. 網膜下移植のための強膜アプローチ:外科的手技
3. SD-OCTイメージング
4. 動物の回復
RCSラット(N = 12)における網膜下インプラントの移植は、ラットにおける網膜下送達のための外科的技術の実現可能性および再現性を実証した。この研究では、右目をインプラントで治療した目(N = 12)でした。手術用顕微鏡を使用した処置の最後に実施された臨床評価では、治療された 12 個の眼のうち 9 個がインプラントの網膜下局在を示し (75.00%)、2 つの眼 (16.67%) がインプラントの網膜内配置として特定され、片方の眼 (8.33%) では、手術領域での網膜下出血による培地の不透明度により、直接視覚化できませんでした。 インプラントと網膜の両方の構造が限られた視野で観察できます(表1)。外科的処置の直後に実施されたSD-OCTスキャンは、インプラントの網膜下または網膜内の位置を示しました(それぞれ10 [83.33%]と1 [8.33%])(図1A)。SD-OCT は、10 日間のフォローアップ後でも、上記の培地の不透明度 (直接視覚化できない) で、同じ動物 (n = 1) でのインプラントの網膜下配置を完全に特定できませんでした。 図1B、C は、インプラントが網膜下腔に適切に留置された2つの異なる動物を示しています。この手術技術に関連する他の外科的合併症はありませんでした。ヘマトキシリンとエオシン(H&E)染色により、インプラントの網膜下配置の検証が観察されました(図1D)。
図1:術後1週間の移植時のスペクトル領域光干渉断層撮影法(SD-OCT)スキャン(A)網膜下インプラントの赤外線画像。緑色の線は、(B)に示す断面を区切るものです。スケールバー:200μm.(B,C) 網膜下腔にインプラントを適切に配置した2種類の動物(黒矢印)。インプラントの先端は視神経(黒の矢印)を指しています。1 =網膜神経線維/神経節細胞層、2 =内側の神経叢層、3 =内側の外層、4 =外側の神経叢層、および5 =外側の核層。スケールバー:200 μm. (D) パリレン膜の網膜下移植を実証するためにH&Eで染色した組織学切片(白矢印)。矢印は、極薄領域の微細孔の1つを示しています。1 =網膜神経線維/神経節細胞層、2 =内側の神経叢層、3 =内側の外層、4 =外側の神経叢層、および5 =外側の核層。スケールバー:20μm.倍率:20倍。この図の拡大版を見るには、ここをクリックしてください。
臨床評価 | SD-OCTの | |||||
件名 | SRの | IR関連 | 不明 | SRの | IR関連 | 不明 |
1 | X | X | ||||
2 | X | X | ||||
3 | X | X | ||||
4 | X | X | ||||
5 | X | X | ||||
6 | X | X | ||||
7 | X | X | ||||
8 | X | X | ||||
9 | X | X | ||||
10 | X | X | ||||
11 | X | X | ||||
12 | X | X | ||||
9 | 2 | 1 | 10 | 1 | 1 | |
75.00% | 16.67% | 8.33% | 83.33% | 8.33% | 8.33% |
表1:すべての動物間での臨床評価とSD-OCTイメージングの間の眼所見の比較。略語:SR =網膜下、IR =網膜内、およびSD-OCT =スペクトル領域光コヒーレンストモグラフィー。
この手順は以前にわずかなバリエーションで説明されていましたが、この原稿の範囲は、技術を学びながら追跡するラットの網膜下インプラントの外科的手順の包括的な説明を提供し、研究者が遭遇する可能性のある外科的課題と潜在的な合併症を克服することです。ここで概説する外科的プロトコルには、数年前から私たちの研究室で広く利用されてきた極薄のパリレン膜の使用が含まれています9,10,16,18。しかし、網膜下腔に埋め込まれた異なるインジェクターおよび材料を用いた技術の再現性が観察されている18,19。
網膜下デバイス移植のための強膜アプローチは、幹細胞ベースの治療に限定されません。小動物モデルにおける網膜移植手順も記載されている20,21。網膜電気刺激の分野では、ラットの網膜下インプラントに対するこの外科的処置は、10年以上にわたって使用されてきました22。最近では、Hoら23はラットの網膜を刺激するアレイを移植し、Thomasら24は幹細胞の供給源として網膜オルガノイドを使用しました。前述のように、幹細胞ベースの治療法は、幹細胞を播種した生体適合性インプラントの外科的移植に関する出版物など、よく発表されています4。さまざまな著者によって記述されている外科的アプローチにはわずかな違いがあり、これについて議論し、この原稿で説明されている外科的技術と比較します。
強膜閉鎖と手術器具には追加の議論が必要です。強膜切開の管理には、(1)縫合糸による閉鎖と(2)縫合糸なしの閉鎖という2つの一般的なアプローチがあります。何人かの著者は、通常の手順23,25,26,27の一部として、縫合糸で強膜切開を閉じるために10-0ナイロンを使用しています。しかし、他のグループ(私たちを含む)は、10-0ナイロン縫合糸は必要ないことを発見しました28。縫合糸による閉鎖を支持する人々は、縫合糸がない場合、網膜下インプラントが目の切開部から滑り落ちると主張しています。結果のセクションで説明されているように、現在の研究では、切開全体でインプラントまたは眼内組織の押し出しは見つかりませんでした。縫合糸を使用しないこの外科的アプローチは、私たちの研究室で日常的に使用され、成功しています 9,10,12,13,16。縫合なしのアプローチの正当性は、2つの要因に依存しています:まず、切開位置とその構成の組み合わせは、セルフシール切開を生成するのに十分な構造を提供します。強膜トンネルの適切な構成は、研究者が実践して達成するステップであることに留意する必要があります。次に、牽引力が解放されると眼圧が上昇し、インプラントが所定の位置に保たれます。眼圧が上昇すると、網膜が切開部に押し付けられ、両方の強膜フラップが互いに接近し、セルフシール切開が行われます。したがって、縫合糸は必要ありません。注目すべきは、切開長さが最大1.5mmであることです。外科的切開でより大きな創傷が必要な場合、または適切な強膜トンネル構成が達成されない場合は、10-0ナイロン縫合糸が合理的な解決策です。現在の技術は、推奨される手術器具と併用すると非常に信頼性があります。一部の著者は、インプラント用にカスタマイズされたインジェクターを使用しており、これにより切開サイズが変更され、適切な閉鎖のために強膜縫合糸を使用する必要が生じています25,29。しかし、私たちの経験では、異なる材料とインジェクターを使用すると、切開長が増加しました(~0.5 mm)18,19。より大きな強膜切開に伴う不安定性や合併症はまだ観察されず、縫合糸の必要もありませんでした。ただし、手順中にこれらのガイドライン以外の機器を使用することは、この手法の制限と見なすことができます。
以前の出版物でめったに言及されていない別の重要なステップは、焦点RDを作成し、インプラントを網膜下腔に注入する前に、眼圧(IOP)を下げるための穿刺です4,10,13,15。IOPを減少させると、網膜を剥離しながら眼内構造をより適切に制御でき、眼内内容物の押し出しが回避されます。これにより、手順が失敗します。低張眼に関連する別の利点は、強膜切開部を通じてインプラントを注入する際の抵抗の減少であり、これによりインプラント自体への損傷が少なくなります。一方、眼圧が低いと、外科的切開部での眼の出血が増加する傾向があります。強膜切開部に大量の血液が付着すると視界が遮られ、網膜下移植中に血液が網膜下腔に移動するリスクが高まります。コットンスワップとBSSを使用して出血を制御し、その領域をきれいにし、外科的合併症を回避することをお勧めします。
RDのサイズは、インプラントを網膜下腔に適切に配置するために重要であることに言及する価値があります。他の動物モデルやヒト5,14,30とは異なり、この強膜アプローチは網膜下空間の直接的な視覚化を提供しないため、焦点RDを生成することはより困難である。インプラントが網膜下腔の外側に置かずに網膜下腔に穏やかに展開されるのに十分なスペースを確保するために、100μLof BSSを注入することをお勧めします。この推奨事項は、網膜の少なくとも 1 つの象限の RD の生成に基づいています。網膜の少なくとも 1 つの象限よりも小さい RD が作成されると、インプラントは硝子体内、網膜内、または脈絡膜上腔に誤って注入されます。プロトコル全体で説明されているように、小さなRDが観察された場合は、目的のRDが達成されるまで、ステップ2.2.4〜2.2.8を繰り返すことをお勧めします。
原稿で議論されている外科的合併症と重要なステップのほとんどは、学習曲線中に発生する可能性があり、網膜下移植の成功を損なう可能性があります。この学習曲線には、動物が麻酔下にある時間や脱水症状のレベルも含まれます。麻酔時間が長くなり、麻酔薬がかかり、脱水症状になると、角膜、水晶体、強膜の変化などのドライアイの合併症を引き起こす可能性があります31。さらに、ケタミンやキシラジンなどの麻酔薬は、房水組成の変化とともに角膜および水晶体の媒体混濁と関連している32。麻酔時間中、手術用眼に潤滑剤点眼薬(BSS)を使用すると、これらの合併症に対処します。要約すると、この原稿に記載されている方法論は、ラットの眼で網膜下治療薬を開発する際の外科的推奨として使用することを目的としています。
M.S.H.、D.R.H.、J.L.は、Regenerative Patch Technologies(RPT)の共同設立者であり、コンサルタントです。他の著者は、この原稿で議論されている主題または資料に金銭的または非金銭的な利益を持つ組織または団体と提携または関与していないことを証明します。
この研究は、CIRM DT3(MSH)およびResearch to Prevent Blindness(USC Roski Eye Institute)の支援を受けました。Fernando Gallardo氏とYing Liu博士の技術支援に感謝します。
スポンサーは、この研究の設計や実施に何の役割も果たしていませんでした。
Name | Company | Catalog Number | Comments |
1 cc syringe | VWR | BD309659 | |
27 G needle 1/2'' | VWR | BD305109 | |
30 G needle 1/2'' | VWR | BD305106 | |
32 G Blunt needle - Small hub RN | Hamilton | 7803-04 | |
4-0 Perma Hand silk black 1X18" PC-5 | Ethicon | 1984G | |
6'' sterile cotton tips | VWR | 10805-154 | |
Betadine 5% sterile ophthalmic prep solution | Alcon | 8007-1 | |
BSS irrigating solution 15 mL | Accutome | Ax17362 | |
Buprenorphine ER | ZooPharm | N/A | |
Castroviejo Caliper | Storz | E2405 | |
Castroviejo suturing forceps 0.12 mm | Storz | E1796 | |
Clayman-Vannas scissors straight | Storz | E3383S | |
Cover glass, square | WVR | 48366-227 | |
EPS Polystyrene block | Silverlake LLC | CFB8x12x2 | |
Gonak 15 mL | Accutome | Ax10968 | Eye lubricant |
Halstead straight hemostatic mosquito forceps non-magnetic | Storz | E6772 | |
Hamilton syringe 700 series 100 µL | Hamilton | 7638-01 | |
HEYEX Software | Heidelberg | N/A | an image management software |
Kelman-McPherson tying forceps angled | Storz | E1815 AKUS | |
Ketamine (100 mg/mL) | MWI | 501072 | |
Needle holder 9mm curved fine locking | Storz | 3-302 | |
Neomycin/Polymyxin B sulfactes/Bacitracin zinc ointment 3.5 g | Accutome | Ax0720 | |
Ophthalmic surgical microscope | Zeiss | SN: 233922 | |
Phenylephrine 2.5% 15 mL | Accutome | Ax0310 | |
Spectralis SD-OCT | Heidelberg | SPEC-CAM-011210s3600 | |
Sterile Drape | VWR | 100229-300 | |
Sterile surgical gloves | VWR | 89233-804 | |
T-Pump heating system | Gaymar | TP650 | |
Tropicamide 1% 15 mL | Accutome | Ax0330 | |
Ultrathin membranes made from Parylene C and coated with vitronectin | Mini Pumps LLC, CA | specifically designed for this study | used as subretinal implants |
Xylazine (100 mg/mL) | MWI | 510650 |
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