Method Article
O presente protocolo descreve a abordagem escleral para implante de dispositivo sub-retiniano, uma técnica cirúrgica viável para implementação em modelos animais de doenças retinianas em pesquisa.
A degeneração da retina, como a degeneração macular relacionada à idade (DMRI), é uma das principais causas de cegueira em todo o mundo. Uma miríade de abordagens foi realizada para desenvolver terapias baseadas em medicina regenerativa para DMRI, incluindo terapias baseadas em células-tronco. Os roedores como modelos animais para degeneração retiniana são uma base para a pesquisa translacional, devido ao amplo espectro de cepas que desenvolvem doenças de degeneração retiniana em diferentes estágios. No entanto, imitar a entrega terapêutica humana de implantes sub-retinianos em roedores é um desafio, devido a diferenças anatômicas, como tamanho do cristalino e volume vítreo. Este protocolo cirúrgico visa fornecer um método guiado para o transplante de implantes para o espaço sub-retiniano em ratos. Uma descrição abrangente e amigável das etapas críticas foi incluída. Este protocolo foi desenvolvido como um procedimento cirúrgico econômico para reprodutibilidade em diferentes estudos pré-clínicos em ratos. A miniaturização adequada de um implante de tamanho humano é necessária antes da realização do experimento cirúrgico, que inclui ajustes nas dimensões do implante. Uma abordagem externa é usada em vez de um procedimento intravítreo para entregar o implante ao espaço sub-retiniano. Com uma agulha pequena e afiada, é realizada uma incisão escleral no quadrante temporal superior, seguida de paracentese para reduzir a pressão intraocular, minimizando assim a resistência durante o implante cirúrgico. Em seguida, uma injeção de solução salina balanceada (BSS) através da incisão é realizada para atingir o descolamento focal da retina (RD). Por fim, são realizadas a inserção e visualização do implante no espaço sub-retiniano. A avaliação pós-operatória da colocação sub-retiniana do implante inclui imagens por tomografia de coerência óptica de domínio espectral (SD-OCT). Os acompanhamentos de imagem verificam a estabilidade sub-retiniana do implante, antes que os olhos sejam colhidos e fixados para análise histológica.
A degeneração macular relacionada à idade (DMRI) é uma das principais causas de cegueira em todo o mundo. O número de pessoas afetadas com DMRI em 2020 foi estimado em 196 milhões, e deve aumentar para cerca de 288 milhões até 20401. Na última década, várias terapêuticas foram desenvolvidas para mitigar as alterações visuais associadas aos estágios tardios da DMRI, principalmente para tratar o desenvolvimento e a progressão da neovascularização coroidal observada na DMRI úmida. Por outro lado, estima-se que o tratamento da DMRI seca, em que a disfunção e a perda das células do epitélio pigmentar da retina (EPR) progridem para EPR e atrofia retiniana, sejam responsáveis por 85% a 90% da DMRI, com prevalência de 0,44% em todo o mundo 1,2. A DMRI tem sido descrita como uma doença multifatorial com idade, fatores genéticos e ambientais que contribuem para o início e progressão da doença; Várias terapias estão em desenvolvimento para abordar as diferentes vias fisiopatológicas associadas a esta doença3.
A terapia baseada em células-tronco foi desenvolvida como uma nova opção terapêutica para substituir a falha do EPR na DMRIseca 4. Embora o uso de células-tronco pluripotentes ainda esteja em ensaios clínicos iniciais, a segurança foi demonstrada em vários ensaios clínicos 5,6,7. Até o momento, existem duas rotas principais para implantar células-tronco no espaço sub-retiniano: suspensão ou inserção de um adesivo monocamada semeado em um implante biocompatível 8,9,10,11,12. Novas estratégias usando terapias baseadas em células-tronco em estudos pré-clínicos exigem modelos animais em que a terapêutica baseada em células-tronco possa ser entregue no mesmo local-alvo pretendido em humanos. A diferença na anatomia pode exigir pequenas alterações nos procedimentos, equipamentos cirúrgicos e abordagem em comparação com aqueles usados com o produto humano final13,14. A modificação das técnicas cirúrgicas oculares é uma das mudanças necessárias que tem sido amplamente descrita como uma abordagem bem-sucedida para uso em diferentes modelos animais 15,16,17.
Embora publicações anteriores tenham mencionado técnicas cirúrgicas para implantes sub-retinianos em ratos, não há descrições abrangentes de tais técnicas para superar as dificuldades técnicas que os pesquisadores podem encontrar. Portanto, é necessário descrever adequadamente as técnicas cirúrgicas em detalhes, fornecer as melhores práticas e lições aprendidas a serem evitadas e, se necessário, resolver problemas durante as etapas críticas ao longo do procedimento. O objetivo deste manuscrito é fornecer uma diretriz abrangente para a implantação cirúrgica do implante no espaço sub-retiniano em ratos.
Todos os experimentos foram aprovados pelo Comitê Institucional de Cuidados e Uso de Animais da Universidade do Sul da Califórnia (IACUC) e foram realizados seguindo o Guia do National Institutes of Health (NIH) para o Cuidado e Uso de Animais de Laboratório e a Declaração da Associação para Pesquisa em Visão e Oftalmologia (ARVO) para o Uso de Animais em Pesquisa Oftálmica e Visual. Um total de 12 ratos machos do Royal College of Surgeon (RCS) foram usados no presente estudo. Os animais foram criados no biotério e incluídos no estudo assim que atingiram a idade de 28 ± 1 dia após o nascimento. Um exame oftalmológico completo foi realizado para verificar a ausência de anormalidades oculares. Os implantes sub-retinianos, membranas ultrafinas feitas de parileno C e revestidas com vitronectina, foram projetados por uma organização comercial específica (ver Tabela de Materiais). Essas membranas replicam membranas de tamanho humano em termos de espessura e permeabilidade (estrutura de malha de 6,0 μm de espessura com poros circulares de 20 μm nas áreas ultrafinas). A miniaturização do comprimento e da largura (1,0 mm × 0,4 mm) das membranas de tamanho humano foi alcançada para acomodar os implantes sub-retinianos dentro dos olhos dos roedores18.
1. Cuidados com os animais e preparação cirúrgica
2. Abordagem escleral para implante sub-retiniano: técnica cirúrgica
3. Imagem SD-OCT
4. Recuperação de animais
O implante de um implante sub-retiniano em ratos RCS (N = 12) demonstrou a viabilidade e reprodutibilidade da técnica cirúrgica para entrega sub-retiniana em ratos. Neste estudo, o olho direito foi o olho tratado (N = 12) com o implante. Na avaliação clínica realizada ao final do procedimento com o microscópio cirúrgico, nove dos 12 olhos tratados demonstraram localização sub-retiniana do implante (75,00%), dois olhos (16,67%) foram identificados como colocação intrarretiniana do implante e em um olho (8,33%) a visualização direta não foi possível devido à opacidade média causada por uma hemorragia sub-retiniana na área cirúrgica, com visão limitada tanto do implante quanto das estruturas retinianas (Tabela 1). Os exames de SD-OCT realizados imediatamente após o procedimento cirúrgico demonstraram a posição sub-retiniana ou intrarretiniana do implante (10 [83,33%] e um [8,33%], respectivamente) (Figura 1A). A SD-OCT não conseguiu identificar completamente a colocação do implante sub-retinalmente no mesmo animal (n = 1) com opacidade média descrita acima (visualização direta não possível), mesmo após 10 dias de acompanhamento. A Figura 1B, C mostra dois animais diferentes com um implante devidamente colocado no espaço sub-retiniano. Não houve outras complicações cirúrgicas associadas à técnica cirúrgica. Pela coloração de Hematoxilina e Eosina (H&E), observou-se a verificação da colocação sub-retiniana do implante (Figura 1D).
Figura 1: Tomografia de coerência óptica de domínio espectral (SD-OCT) em 1 semana após o implante cirúrgico. (A) Imagem infravermelha do implante sub-retiniano. A linha verde demarca a seção transversal mostrada em (B). Barra de escala: 200 μm. (B,C) Dois animais diferentes com um implante devidamente colocado no espaço sub-retiniano (setas pretas). A ponta do implante aponta para o nervo óptico (ponta de seta preta). 1 = Fibra nervosa da retina/camada de células ganglionares, 2 = Camada plexiforme interna, 3 = Camada externa interna, 4 = Camada plexiforme externa e 5 = Camada nuclear externa. Barra de escala: 200 μm. (D) Corte histológico corado com H&E para demonstrar a implantação sub-retiniana da membrana parileno (seta branca). A ponta da seta mostra um dos microporos nas áreas ultrafinas. 1 = Fibra nervosa da retina/camada de células ganglionares, 2 = Camada plexiforme interna, 3 = Camada externa interna, 4 = Camada plexiforme externa e 5 = Camada nuclear externa. Barra de escala: 20 μm. Ampliação: 20x. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Avaliação Clínica | SD-OCT | |||||
Assunto | SR | RI | Desconhecido | SR | RI | Desconhecido |
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% |
Tabela 1: Comparação dos achados oculares entre as avaliações clínicas e a SD-OCT entre todos os animais. Abreviaturas: SR = sub-retiniano, IR = intrarretiniano e SD-OCT = tomografia de coerência óptica de domínio espectral.
Embora o procedimento tenha sido descrito anteriormente com pequenas variações, o escopo deste manuscrito é fornecer uma descrição abrangente de um procedimento cirúrgico para implantes sub-retinianos em ratos a ser seguido durante o aprendizado da técnica e para superar os desafios cirúrgicos e possíveis complicações que os investigadores podem encontrar. O protocolo cirúrgico descrito aqui inclui o uso da membrana de parileno ultrafina que tem sido amplamente utilizada em nosso laboratório há vários anos 9,10,16,18. No entanto, a reprodutibilidade da técnica com diferentes injetores e materiais implantados no espaço sub-retiniano tem sido observada 18,19.
Uma abordagem escleral para implantação de dispositivos sub-retinianos não se limita a terapias baseadas em células-tronco; Procedimentos de transplante de retina em modelos de pequenos animais também foram descritos20,21. No campo da estimulação elétrica retiniana, esse procedimento cirúrgico para implantes sub-retinianos em ratos é utilizado há mais de uma década22. Mais recentemente, Ho et al.23 implantaram um array para estimular a retina de ratos, e Thomas et al.24 usaram organoides de retina como fonte de células-tronco. Como mencionado anteriormente, as terapias baseadas em células-tronco foram bem publicadas, incluindo publicações sobre o implante cirúrgico de implantes biocompatíveis semeados com células-tronco4. Existem pequenas variações nas abordagens cirúrgicas descritas por diferentes autores, que serão discutidas e comparadas com a técnica cirúrgica descrita neste manuscrito.
O fechamento escleral e a instrumentação cirúrgica requerem discussão adicional. Existem duas abordagens comuns para o manejo da incisão escleral: (1) fechamento com sutura e (2) fechamento sem sutura. Vários autores usam náilon 10-0 para fechar a incisão escleral com uma sutura como parte de seu procedimento regular 23,25,26,27. No entanto, outros grupos (incluindo o nosso) descobriram que a sutura de náilon 10-0 não é necessária28. Aqueles que apóiam o fechamento com a sutura argumentam que o implante sub-retiniano deslizará para fora da incisão no olho se não houver sutura. Conforme descrito na seção de resultados, o presente estudo não encontrou extrusão do implante ou tecido intraocular ao longo da incisão. Essa abordagem cirúrgica sem sutura tem sido utilizada em nosso laboratório rotineiramente e com sucesso 9,10,12,13,16. A justificativa para uma abordagem sem sutura depende de dois fatores: primeiro, uma combinação do local da incisão e sua configuração fornece estrutura suficiente para gerar uma incisão autovedante. Deve-se ter em mente que a configuração adequada do túnel escleral é uma etapa que os investigadores alcançarão com a prática. Em segundo lugar, a pressão intraocular aumenta quando a tração é liberada, mantendo o implante no lugar. O aumento da pressão intraocular resulta na retina sendo empurrada contra a incisão, aproximando os dois retalhos esclerais e fazendo uma incisão autovedante. Portanto, uma sutura não é necessária. É importante notar que o comprimento da incisão é de apenas 1,5 mm. Nos casos em que a incisão cirúrgica requer uma ferida maior ou se uma configuração adequada do túnel escleral não for alcançada, uma sutura de náilon 10-0 é uma solução razoável. A técnica atual é altamente confiável se usada com a instrumentação cirúrgica recomendada. Alguns autores utilizaram injetores personalizados para seus implantes, o que modifica o tamanho da incisão e resulta na necessidade de uso de sutura escleral para fechamento adequado25,29. No entanto, em nossa experiência, o uso de diferentes materiais e injetores resultou em um aumento do comprimento da incisão (~0,5 mm)18,19. Ainda não observamos instabilidade ou complicações associadas a uma incisão escleral maior, e nenhuma sutura foi necessária. No entanto, o uso de instrumentação fora dessas diretrizes durante o procedimento pode ser considerado uma limitação dessa técnica.
Outra etapa crítica que raramente foi mencionada em publicações anteriores é a paracentese para reduzir a pressão intraocular (PIO) antes de criar o DR focal e injetar o implante no espaço sub-retiniano 4,10,13,15. A diminuição da PIO proporciona melhor controle das estruturas intraoculares ao mesmo tempo em que descola a retina e evita a extrusão do conteúdo intraocular, o que resulta em um procedimento malsucedido. Outra vantagem associada a um olho hipotônico é a redução da resistência ao injetar o implante através da incisão escleral, o que resulta em menos danos ao próprio implante. Por outro lado, a baixa PIO é propensa ao aumento do sangramento ocular na incisão cirúrgica. Grandes quantidades de sangue na incisão escleral obscurecem a visão e aumentam o risco de mover o sangue para o espaço sub-retiniano durante o implante sub-retiniano. Recomendamos controlar o sangramento usando trocas de algodão e BSS para limpar a área e evitar complicações cirúrgicas.
Vale ressaltar que o tamanho do RD é importante para a colocação adequada do implante no espaço sub-retiniano. Ao contrário de outros modelos animais e humanos 5,14,30, como essa abordagem escleral não fornece visualização direta do espaço sub-retiniano, é mais difícil gerar um DR focal. Para fornecer espaço suficiente para que o implante seja implantado suavemente no espaço sub-retiniano sem colocá-lo fora dessa área, a recomendação é injetar 100 μL de BSS. Essa recomendação é baseada na geração de um DR de pelo menos um quadrante da retina. Se um RD menor que pelo menos um quadrante da retina for criado, o implante será injetado incorretamente no espaço intravítreo, intrarretiniano ou supracoroidal. Conforme descrito em todo o protocolo, se um pequeno RD for observado, recomenda-se repetir as etapas 2.2.4 a 2.2.8 até que o RD desejado seja alcançado.
A maioria das complicações cirúrgicas e etapas críticas discutidas no manuscrito pode ocorrer durante a curva de aprendizado, o que pode comprometer o sucesso do implante sub-retiniano. Essa curva de aprendizado também inclui a quantidade de tempo que os animais permanecem sob anestesia e o nível de desidratação. Um maior tempo de anestesia, anestésicos e desidratação podem levar a complicações do olho seco, como alterações da córnea, do cristalino e escleral31. Além disso, anestésicos, como cetamina e xilazina, têm sido associados à opacidade da mídia na córnea e no cristalino, juntamente com alterações na composição do humor aquoso32. O uso de colírios lubrificantes (BSS) no olho cirúrgico durante todo o tempo anestésico aborda essas complicações. Em resumo, a metodologia descrita neste manuscrito deve ser usada como uma recomendação cirúrgica no desenvolvimento de terapêuticas sub-retinianas em olhos de ratos.
M.S.H., D.R.H. e J.L. são co-fundadores e consultores da Regenerative Patch Technologies (RPT). Os outros autores certificam que não têm afiliações ou envolvimento em qualquer organização ou entidade com qualquer interesse financeiro ou não financeiro no assunto ou materiais discutidos neste manuscrito.
Este estudo foi apoiado pelo CIRM DT3 (MSH) e Pesquisa para Prevenir a Cegueira (USC Roski Eye Institute). Queremos agradecer a Fernando Gallardo e ao Dr. Ying Liu por sua assistência técnica.
O patrocinador não teve nenhum papel no projeto ou na condução desta pesquisa.
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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