Method Article
В этом протоколе представлены и описаны этапы выделения, рассечения, культивирования и окрашивания эксплантов сетчатки, полученных от взрослой мыши. Этот метод полезен в качестве модели ex vivo для изучения различных нейрососудистых заболеваний сетчатки, таких как диабетическая ретинопатия.
Одной из проблем в исследованиях сетчатки является изучение перекрестных помех между различными клетками сетчатки, такими как нейроны сетчатки, глиальные клетки и сосудистые клетки. Выделение, культивирование и поддержание нейронов сетчатки in vitro имеют технические и биологические ограничения. Культивирование эксплантов сетчатки может преодолеть эти ограничения и предложить уникальную модель ex vivo для изучения перекрестных помех между различными клетками сетчатки с хорошо контролируемыми биохимическими параметрами и независимо от сосудистой системы. Кроме того, экспланты сетчатки являются эффективным инструментом скрининга для изучения новых фармакологических вмешательств при различных сосудистых и нейродегенеративных заболеваниях сетчатки, таких как диабетическая ретинопатия. Здесь мы опишем подробный протокол изоляции и культуры эксплантов сетчатки в течение длительного периода. В рукописи также представлены некоторые технические проблемы во время этой процедуры, которые могут повлиять на желаемые результаты и воспроизводимость культуры эксплантата сетчатки. Иммуноокрашивание сосудов сетчатки, глиальных клеток и нейронов продемонстрировало интактные капилляры сетчатки и нейроглиальные клетки через 2 недели с начала культуры эксплантата сетчатки. Это делает экспланты сетчатки надежным инструментом для изучения изменений в сосудистой системе сетчатки и нейроглиальных клетках в условиях, имитирующих заболевания сетчатки, такие как диабетическая ретинопатия.
Для изучения заболеваний сетчатки были представлены различные модели, включая модели in vivo и in vitro. Использование животных в исследованиях по-прежнему является предметом непрерывных этических и трансляционных дебатов1. Животные модели с участием грызунов, таких как мыши или крысы, обычно используются в исследованиях сетчатки 2,3,4. Тем не менее, клинические проблемы возникли из-за различных физиологических функций сетчатки у грызунов по сравнению с людьми, таких как отсутствие макулы или различия в цветовом зрении5. Использование посмертных глаз человека для исследований сетчатки также имеет много проблем, включая, но не ограничиваясь, различиями в генетическом фоне оригинальных образцов, истории болезни доноров и предыдущей среде или образе жизни доноров6. Кроме того, использование моделей in vitro в исследованиях сетчатки также имеет некоторые недостатки. Модели клеточных культур, используемые для изучения заболеваний сетчатки, включают использование клеточных линий человеческого происхождения, первичных клеток или стволовых клеток7. Было показано, что используемые модели клеточных культур имеют проблемы с точки зрения загрязнения, неправильной идентификации или дедифференцированности 8,9,10,11. В последнее время органоидная технология сетчатки показала значительный прогресс. Однако построение очень сложных сетчаток in vitro имеет ряд ограничений. Например, органоиды сетчатки не имеют тех же физиологических и биохимических характеристик, что и зрелые сетчатки in vivo. Чтобы преодолеть это ограничение, органоидная технология сетчатки должна интегрировать больше биологических и клеточных особенностей, включая гладкомышечные клетки, сосудистую систему и иммунные клетки, такие как микроглия 12,13,14,15.
Органотипические экспланты сетчатки стали надежным инструментом для изучения таких заболеваний сетчатки, как диабетическая ретинопатия и дегенеративные заболевания сетчатки 16,17,18,19. По сравнению с другими существующими методами, использование эксплантов сетчатки поддерживает как культуры клеток сетчатки in vitro, так и современные модели животных in vivo, добавляя уникальную особенность для изучения перекрестных помех между различными клетками сетчатки при одних и тех же биохимических параметрах и независимо от системных переменных. Экстраплантные культуры позволяют различным клеткам сетчатки храниться вместе в одной среде, что позволяет сохранить межклеточные взаимодействия сетчатки 20,21,22. Более того, предыдущее исследование показало, что экспланты сетчатки способны сохранять морфологическую структуру и функциональность культивируемых клеток сетчатки23. Таким образом, экспланты сетчатки могут обеспечить достойную платформу для исследования возможных терапевтических целей для широкого спектра заболеваний сетчатки 24,25,26. Экстраплантные культуры сетчатки обеспечивают контролируемую технику и являются очень гибкой заменой существующим мотылькам, которые позволяют проводить многочисленные фармакологические манипуляции и могут раскрыть несколько молекулярных механизмов27.
Общая цель данной работы состоит в том, чтобы представить метод эксплантации сетчатки в качестве разумной промежуточной модельной системы между клеточными культурами in vitro и моделями животных in vivo . Этот метод может имитировать функции сетчатки лучше, чем диссоциированные клетки. Поскольку различные слои сетчатки остаются нетронутыми, межклеточные взаимодействия сетчатки могут быть оценены в лаборатории в хорошо контролируемых биохимических условиях и независимо от функционирования сосудистой системы28.
Все эксперименты на животных были одобрены Институциональным комитетом по уходу за животными и их использованию (IACUC) в Оклендском университете, Рочестер, штат Мичиган, США и соответствовали руководящим принципам, установленным Заявлением Ассоциации исследований в области зрения и офтальмологии (ARVO) для использования животных в офтальмологических и зрительных исследованиях.
1. Подготовка животных
2. Подготовка тканей
3. Рассечение тканей
4. Культура эксплантата сетчатки
5. Иммуногистохимия
Выживание нейронных и сосудистых клеток сетчатки эксплантата сетчатки в культуральной среде ex vivo в течение длительного времени
Культивируя эксплант сетчатки с использованием нашего протокола, мы успешно поддерживали различные клетки сетчатки, которые были жизнеспособны в течение 2 недель. Для проверки наличия различных клеток сетчатки проводили иммунофлуоресцентное окрашивание эксплантата сетчатки с использованием маркера нейрональных клеток (NeuN), маркера глиальных клеток (GFAP) и сосудистого маркера (изолектин-B4) (рисунок 2). Окрашивание показало хорошо организованные и хорошо развитые нейроны сетчатки и глиальные клетки. Кроме того, кровеносные сосуды сетчатки были структурно неповрежденными, о чем свидетельствует окрашивание изолектина-B4. Морфологическая целостность эксплантата сетчатки, продемонстрированная иммуноокрашиванием, показала, что культура эксплантата сетчатки была успешной для поддержания жизнеспособных клеток сетчатки, которые можно было экспериментально использовать в качестве модели. Различные экспериментальные условия, подлежащие изучению с использованием эксплантата, могут быть оценены и проанализированы путем иммунофлуоресцентного окрашивания для нескольких клеточных маркеров с использованием программного обеспечения ImageJ. Иммуноокрашивание позволяет измерять уровни иммунореактивности каждого клеточного маркера и количество специфических клеток, таких как количество ганглиозных клеток сетчатки или фоторецепторов, среди различных экспериментальных групп.
Важность правильной ориентации эксплантата сетчатки в культуральной пластине для экспериментальных результатов
Правильная ориентация эксплантата сетчатки в культуральной пластинке достигается путем инкубации нейроретины лицом вверх. С другой стороны, сбой эксплантата сетчатки может быть результатом переворачивания или сворачивания ткани сетчатки, что приводит к тому, что нейроретина обращена вниз. Иммунофлуоресцентное окрашивание культивируемой эксплантации сетчатки через 2 недели с использованием различных маркеров сетчатки в качестве предыдущего эксперимента (NeuN, GFAP и изолектин-B4) показало, что нарушение правильной ориентации экспланта приводит к сбою правильного развития нервно-сосудистого элемента (рисунок 3).
Рисунок 1: Этапы рассечения глазного яблока для создания эксплантата сетчатки. (а) Энуклеированное глазное яблоко погружается в среду сразу после удаления у животного. b) Окружной разрез делается вдоль лимбуса, чтобы открыть глазное яблоко. c) роговица удаляется путем рассечения вдоль лимбального разреза. d) Удерживая зрительный нерв тонкими щипцами, наружный слой глаза мягко отслаивается. e) удаляются хрусталик, стекловидное тело и цилиарное тело. (F) Остается только нервная сетчатка. g) В сетчатке делаются четыре радиальных разреза, облегчающие ее разрезание на следующем этапе. h) Сетчатку можно разрезать на две или четыре части, а затем перенести на пластину клеточной культуры, содержащую вставку и носитель. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 2: Успешная культура эксплантата сетчатки с сохраненной структурой сетчатки. Иммунофлуоресцентное окрашивание эксплантов сетчатки, которые оставались в культуре в течение 2 недель. Экспланты были зафиксированы и окрашены (a) NeuN для нейронов сетчатки (зеленый) и изолектин-B4 для кровеносных сосудов (красный) и (b) GFAP для глиальных клеток (зеленый) и изолектин-B4 для кровеносных сосудов (красный). Окрашивание показало хорошо развитые клетки сетчатки и сосуды сетчатки. Шкала = 50 мкм. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 3: Неудачная культура эксплантата сетчатки с дефектными, недоразвитыми клетками сетчатки. Иммунофлуоресцентное окрашивание эксплантов сетчатки, которые оставались в культуре в течение двух недель. Экспланты были зафиксированы и окрашены GFAP для глиальных клеток (зеленый) и изолектин-B4 для кровеносных сосудов (красный). Изображения показывают дефектное окрашивание и недоразвитые клетки сетчатки и сосуды сетчатки. Эксплант сетчатки был сложен и неправильно ориентирован в культуральной пластине. Большое внимание следует уделить обеспечению правильной ориентации экспланта с сетчаткой лицом вверх. Неспособность поставить эксплант сетчатки в правильную ориентацию приведет к срыву правильного развития экспланта. Шкала = 100 мкм Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Наша лаборатория изучает патофизиологические изменения, которые способствуют микрососудистой дисфункции сетчатки в течение 31,32,33,34,35,36 лет. Экспланты сетчатки являются одним из методов, которые могут иметь большую ценность для использования в качестве модели для изучения заболеваний сетчатки, таких как диабетическая ретинопатия или дегенеративные заболевания сетчатки. Наличие контрольной группы, полученной из той же одной сетчатки или животного, что и обработанная группа или группы, дает этому методу большое преимущество с точки зрения обеспечения более надежных сравнений различных экспериментальных условий.
Одной из основных проблем при подготовке эксплантата сетчатки является сворачивание экспланта или неправильная ориентация в культуральной пластине с поверхностью сетчатки, обращенной вниз. Другие исследователи предложили пипетировать сетчатку вверх и вниз внутри передающей пипетки, чтобы иметь ее в правильной ориентации в пластине37. Тем не менее, в своем протоколе они использовали всю сетчатку для одного эксплантата, но в этом протоколе одна сетчатка была разрезана на две-четыре части, что означает, что куски меньше, и трудно сделать этот маневр для правильной ориентации. Разрезание одной сетчатки на две-четыре части позволяет получить от одного и того же животного от четырех до восьми кусочков сетчатки, которые могут быть использованы для эксперимента. Это позволяет проводить эксперименты, в которых контрольная группа и экспериментальные группы происходят от одного и того же животного.
Однако разрезание сетчатки на мелкие кусочки делает обращение с ней более сложным. Поэтому мы разработали технику обработки этих небольших кусочков сетчатки, чтобы обеспечить правильную ориентацию культуры сетчатки. Для этого открытое рассекающее ножничное лезвие помещается прямо под куском сетчатки, при этом поверхность сетчатки обращена вверх. Если часть сетчатки перевернута или сложена, она мягко настраивается на правильную ориентацию. Медленно кусок сетчатки приподнимают кончиком открытого лезвия ножниц и аккуратно помещают в культуральную пластину. Этот простой метод гарантирует, что каждый кусочек сетчатки находится в правильной ориентации с сетчаткой, обращенной вверх, и способствует лучшим результатам для изучения сосудов сетчатки и нейроглиальных клеток (рисунок 2). Неспособность поместить эксплант сетчатки в правильную ориентацию с нейроретиной вверх приведет к нарушению правильного роста клеток сетчатки в культуре, как показано на рисунке 3. Настоятельно рекомендуется провести надлежащую подготовку, чтобы избежать этой технической ошибки.
Этот протокол описывает органотипическую эксплантацию сетчатки взрослой мыши; однако этот метод также ранее был описан как для незрелых сетчаток мыши37 , так и для сетчатки38 человека. В предыдущем исследовании были описаны культуры эксплантата сетчатки для изучения развития сосудов, в котором манипуляции с эндотелиальной функцией стали возможными ex vivo27. В качестве примера морфологической оценки эксплантата сетчатки эксплантат оставляли в культуре на 2 недели, а затем проводили иммуноокрашивание с использованием NeuN (маркер нейрональных клеток), GFAP (маркер глиальных клеток) и изолектина-B4 (сосудистый маркер). Окрашивание показало, что клетки сетчатки и кровеносные сосуды были хорошо развиты и хорошо сохранились в экспланте (рисунок 2). Тем не менее, можно получить больше данных о окрашивании иммуногистохимии, чтобы проверить жизнеспособность и функциональность других клеток сетчатки в экспланте.
Сама культура эксплантата может быть стрессовой для клеток сетчатки. Тем не менее, клетки могут быть инкубированы в относительно нормальных условиях, так что морфологические изменения, происходящие в различных экспериментальных условиях, таких как гипергликемия или гипоксия, можно сравнить с исходным состоянием. Эксплант, таким образом, представляет собой хороший инструмент для оценки различных клеток сетчатки и тестирования их реакций на различные фармакологические агенты или терапевтические мишени одновременно при широком спектре заболеваний сетчатки.
Неоваскуляризация сетчатки является кардинальным признаком ишемической ретинопатии, например, при ретинопатии недоношенных и диабетической ретинопатии. Мы (Рисунок 2) и другие 27,39,40,41,42 могли наблюдать интактную сосудистую сетчатку в культивируемых эксплантатах в течение 2 недель. Так, эксплант сетчатки был использован для изучения патофизиологии как нормальной, так и патологической неоваскуляризации сетчатки 41,42,43,44,45,46,47,48,49. Интересно, что исследовательская группа зафиксировала VEGF-индуцированное прорастание сосудов у эксплантов сетчатки мышей при изучении проангиогенных факторов, которые повышены при пролиферативной диабетической ретинопатии43. Кроме того, экспланты сетчатки были встроены в трехмерный гель, позволяющий изучать прорастание эндотелиальных клеток сетчатки в более детальной пространственно-височной ориентации 45,46,47.
Помимо морфологических исследований, экспланты сетчатки также используются в некоторой степени для оценки функций сетчатки 50,51,52,53. Визуализация электроретинограммы ex vivo (ERG) была выполнена на изолированных эксплантатах сетчатки мыши, что позволяет изучать различные функции различных клеток сетчатки, включая фоторецепторы палочки и конуса 54,55,56,57. Интересно, что Calbiague et al. сообщили, что в ответ на лечение высоким уровнем глюкозы культуры эксплантата сетчатки, полученные от мышей или крыс, показали все более уменьшенную толщину слоев58 сетчатки. Однако биполярные клетки сетчатки, которые являются одними из самых ранних чувствительных клеток к диабетическим состояниям, сохраняли не только свою морфологию, но и свои электрофизиологические свойства в культуре до 2 недель58. Таким образом, мы считаем, что этот протокол может стать основой или отправной точкой для дополнительных будущих исследований для оптимизации преимуществ использования эксплантата в исследованиях глаз.
Авторам нечего раскрывать.
Мы хотели бы поблагодарить Грант Национального института здравоохранения (NIH) Для Национального института глаз (R01 EY030054) д-ру Мохамеду Аль-Шабрави. Мы хотели бы поблагодарить Кэти Волосевич за помощь в видео-повествовании. Мы хотели бы поблагодарить доктора Кена Миттона из педиатрической исследовательской лаборатории сетчатки Института глаз Оклендского университета за его помощь во время использования хирургического микроскопа и записи. Это видео было смонтировано и срежиссировано доктором Халедом Эльмасри.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Adult C57Bl/6J mice | The Jackson Laboratory, Bar Harbor, ME, 04609, USA | 664 | |
All-in-One Fluorescence Microscope | KEYENCE CORPORATION OF AMERICA, IL, 60143, U.S.A. | BZ-X800 | |
B27 supplements | Thermo scientific. Waltham, MA, 02451, USA | Gibco #17504-04 | |
Blockade blocking solution | Thermo scientific. Waltham, MA, 02451, USA | B10710 | |
DMEM F12 | Thermo scientific. Waltham, MA, 02451, USA | Gibco #11320033 | |
Goat anti-Rabbit IgG. | Thermo scientific. Waltham, MA, 02451, USA | F-2765 | |
GSL I, BSL I (Isolectin) | Vector Laboratories. Burlingame, CA 94010,USA | B-1105-2 | |
Hanks Ballanced Salt Solution (HBSS) | Thermo scientific. Waltham, MA, 02451, USA | Gibco #14175095 | |
Micro Scissors, 12 cm, Diamond Coated Blades | World Precision Instruments,FL 34240, USA | Straight (503365) | |
N2 supplements | Thermo scientific. Waltham, MA, 02451, USA | Gibco #17502-048 | |
Nunc Polycarbonate Cell Culture Inserts in Multi-Well Plates | Thermo scientific. Waltham, MA, 02451, USA | 140652 | |
Paraformaldehyde 4% in PBS | BBP, Ashland, MA, 01721 USA | C25N107 | |
Penicillin-Streptomycin (10,000 U/mL) | Thermo scientific. Waltham, MA, 02451, USA | 15140148 | |
PROLONG DIAMOND ANTIFADE 4′,6-diamidino-2-phenylindole (DAPI). | Thermo scientific. Waltham, MA, 02451, USA | P36962 | |
Rabbit Anti-NeuN Antibody | Abcam.,Cambridge, UK | ab177487 | |
Rabbit Glial Fibrillary Acidic Protein (GFAP) Antibody | Dako,Carpinteria, CA 93013, USA. | Z0334 | |
Texas Red | Vector Laboratories. Burlingame, CA 94010,USA | SA-5006-1 | |
TritonX | BioRad Hercules, CA, 94547,USA | 1610407 |
Запросить разрешение на использование текста или рисунков этого JoVE статьи
Запросить разрешениеThis article has been published
Video Coming Soon
Авторские права © 2025 MyJoVE Corporation. Все права защищены