本文展示了一种利用高分辨率谱域光学相干断层扫描(HR-SD-OCT)将基因治疗药物递送至视网膜下腔、评估其分布范围并表征光感受器活性的新方法。
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本文展示了一种利用高分辨率谱域光学相干断层扫描(HR-SD-OCT)将基因治疗药物递送至视网膜下腔、评估其分布范围并表征光感受器活性的新方法。
HR-SD-OCT 被用于监测活体小鼠模型中光感受器变性的进展,评估治疗剂向视网膜下腔的递送情况,并评价其毒性和疗效 体内HR-SD-OCT 采用近红外光(800–880 nm),其光学系统专为小鼠眼球的独特光学特性设计,轴向分辨率优于 2 微米。对视网膜外层(光感受器)变性的转基因小鼠模型及对照组进行成像,以评估疾病进展。使用拉制的玻璃微针进行视网膜下注射,递送腺相关病毒(AAV)或纳米颗粒(NP)。 通过 经巩膜和经脉络膜入路。在进行校准压力注射前,需谨慎将针头定位至视网膜下腔,以将液体注入视网膜下间隙。手术过程中利用视网膜成像系统(RIS)实时监测视网膜下操作。高分辨率谱域光学相干断层扫描(HR-SD-OCT)显示,由于表达毒性突变人源视紫红质(P347S),导致进行性均匀的视网膜变性。RHOP347S) 转基因小鼠。高分辨率谱域光学相干断层扫描(HR-SD-OCT)可对所有视网膜层进行严格量化。外界核层(ONL)厚度和光感受器外节长度(OSL)的测量值与光感受器的活力、变性或挽救情况相关。RIS递送系统可实现对新生期(~P10-14)或成年小鼠视网膜下注射的实时可视化,HR-SD-OCT可立即判断递送是否成功并绘制递送区域范围。HR-SD-OCT是一种强大工具,可用于评估小鼠视网膜下手术的成功程度,并测量光感受器的活力。 体内高分辨率谱域光学相干断层扫描(HR-SD-OCT)还可用于鉴定具有均一特征的动物群组,以评估临床前基因治疗研究中视网膜变性的程度、毒性反应及治疗干预的挽救效果。
研究人员正在开发针对多种视网膜及视网膜变性疾病基因疗法,希望将新型治疗手段转化为人类疾病的治疗方法1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11。时域或谱域光学相干断层扫描(SD-OCT)已被用于研究特定小鼠疾病模型中外层视网膜变性的特征12,13,14。然而,高分辨率谱域光学相干断层扫描(HR-SD-OCT)尚未被广泛应用于优化小鼠模型的评估,以确定视网膜变性的速率和空间均匀性,也未充分用于基因治疗药物的临床前评价,例如评估治疗效果、毒性或载体递送的空间范围8,15,16。一旦小鼠模型被充分表征,HR-SD-OCT 数据便可作为一项信息丰富且可靠的资源,用于评估治疗手段在视网膜变性小鼠模型中产生挽救效应或毒性的能力17。许多研究团队采用视网膜下注射作为载体递送方法,因其在转导光感受器和视网膜色素上皮(RPE)细胞方面效率较高。然而,该方法仍难以掌握,通常需从角膜表面进行徒手手术操作,且常因对玻璃体后部的操作而引发白内障、出血以及意外的视网膜脱离。目前仍有许多团队在无直视条件下尝试视网膜下注射,并使用手动注射方式配合直径相对较大的不锈钢针头(34G)8,17,18,19,20,21,22,仅有少数研究使用光学相干断层扫描(OCT)成像来确认载体是否正确递送至视网膜8,17,20,22。最近已有研究报道通过微操纵器驱动的微型针头对这一方法进行了部分改进22。
我们提出了一种整合性方法,有助于针头的准确定位,注射过程则借助实验室专门设计的定制导向立体眼底镜,以便观察小鼠微小眼球内部结构17,23。使用拉制的玻璃微针结合立体定位微操作仪,可更精确地控制针头位置,且注射前无需进行手术切开(即无需穿过结膜和结缔组织)。采用压力调控的微注射器有助于实现稳定的注射体积,使注射过程比手持注射器进行的手动注射更加稳定、精确且速度更慢,从而减少向眼内注入气泡的发生。更细的针头有助于防止拔针后液体泄漏,因为穿刺路径可自行封闭。为评估注射/递送效果,许多研究团队依赖于在实验终点(安乐死时)检测视网膜中增强型绿色荧光蛋白(EGFP)表达的范围(由载体递送的表达载体),以确认注射成功11,19,20,24。这种(不使用OCT的)验证手术成功的方法会浪费大量资源,包括手术操作时间和实验动物,因为所有存在(未知)手术失败的动物都必须维持饲养,并进行重复检测直至安乐死和眼球取材(此时才检测EGFP)。通过使用高分辨率谱域光学相干断层扫描(HR-SD-OCT),可更准确地确认注射部位是否位于视网膜的正确层次之间(即视网膜下腔),从而提高对注射位置的评估准确性。HR-SD-OCT还可用于在手术过程中实时识别失败的注射尝试(手术失败),并即时分析相关变量,以优化操作方法。我们发现,在临床前基因治疗研究中,HR-SD-OCT具有诸多优势:可实现对外层视网膜变性的快速定量评估,有助于识别并剔除不符合实验标准的动物(例如视网膜下注射位置错误),并指导后续成像聚焦于载体递送区域(最可能出现临床前效应的部位)以及未递送载体的对照区域。自其问世以来,谱域OCT(SD-OCT)持续被眼科研究人员广泛接受和应用,现已被视为在小鼠或啮齿类动物模型中进行视网膜科学研究的标准视网膜成像技术13,25。HR-SD-OCT及其软件功能以独特整合的方式被应用于推动小鼠模型中定量基因治疗研究的每一步,包括动物模型筛选、选定疾病模型中变性特征的表征、治疗递送、载体分布图谱绘制以及毒性/疗效评估。HR-SD-OCT的应用使得药物发现过程在各个层面都更加高效。本文将介绍我们在RNA药物发现项目中所采用的这些方法。
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动物实验方案已通过美国纽约州西部退伍军人健康护理系统(VA WNY HCS)和纽约州立大学布法罗分校机构动物护理与使用委员会的审查和批准。动物的使用遵循视觉与眼科研究协会(ARVO)以及《赫尔辛基宣言》的规定。
1. 小鼠模型
2. 小鼠眼部凝胶
3. HR-SD-OCT 成像
4. 评估模型外层视网膜变性的存在、进展速率及均一性
5. 眼内注射
注意:有关RIS使用的详细信息在最近的一项研究中已有进一步阐述23。
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评估模型外层视网膜变性的存在性、发生速率及均匀性
使用仪器软件提供的卡尺工具,测量从外丛状层(OPL)到外界膜(ELM)之间的外核层(ONL)厚度,以界定ONL的范围。研究目的是描绘部分人源化常染色体显性视网膜色素变性(adRP)小鼠模型中外层视网膜变性的进展过程。与对照组C57BL/6(J)小鼠相比,表达两份突变人源视杆细胞视紫红质(RHOP347S)基因的hC1/hC1//mWT/mWT小鼠模型显示出典型的严重且快速进展的视网膜变性特征,可用于对比正常与病变视网膜的表现。3周龄的adRP(hC1 × BL/6(J))动物仅携带一份突变人源RHOP347S基因和两份野生型小鼠RHO基因,其ONL厚度接近正常。然而,在10周和37周时进行的高分辨率谱域光学相干断层扫描(HR-SD-OCT)显示,视网膜变性随时间呈进行性发展,并在空间分布上具有高度均匀性,导致在此期间光感受器细胞数量减少约60%,表现为ONL显著变薄。在hC1 × BL...
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HR-SD-OCT 为表征潜在的人类疾病动物模型提供了一种简便方法,以确定其在测试潜在治疗药物中的实用性。快速且可靠地表征潜在人类疾病动物模型的能力,对于治疗性药物研发过程至关重要。例如,替代基因治疗,核酶或shRNA敲低基因治疗,联合基因治疗)。HR-SD-OCT提供了一种简单、快速且非侵入性的方法,用于评估视网膜健康状况,可对几乎所有小鼠模型中的视网膜变性进展进行表征和监测。OCT图像可用于测量视网膜任意或全部各层的厚度,从而对随时间推移的外层视网膜(光感受器)变性情况,或治疗干预对变性程度及动力学进程的影响进行详细评估。HR-SD-OCT还可用于评估递送载体或材料的毒性。该技术对光感受器视网膜变性研究项目最重要的贡献在于,能够在活体动物中对ONL(外核层)进行随时间变化的精细测量。研究者可绘制视网膜变性的时间进程曲线,并从中提取时间常数,这是在同一动物模型中、在治疗时间窗内评估候选治疗手段疗效与毒性的关键第一步。此外,相较于传统的终点组织学方法,该技术能够显著节省宝贵的资源(动物和时间),使研究者在正式实验开始前即可识别动物群体中的异常个体,并剔除不符合实验标准的动物例如,成功的视网膜下输送)。...
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利益关系:MCB:无;JMS:无。本研究中使用的视网膜成像系统(RIS)23 是一种新型设备,对于任何希望在小鼠、啮齿类动物或其他小型动物中开展基因治疗递送研究的团队均具有重要应用价值。尽管作者目前就该设备无任何利益冲突需要声明,但纽约州立大学布法罗分校和退伍军人事务部拥有该知识产权的相关权益,并可能在未来寻求对该仪器进行商业化。
本材料部分基于美国退伍军人事务部(VA)退伍军人健康管理局研究与发展办公室(生物医学实验室研究与发展)资助的研究工作(VA 优秀奖 1I01BX000669)。JMS 部分受雇于 VA WNY,担任眼科主治医师-科学家;MCB 部分受雇于 VA WNY。本研究在退伍军人事务部西纽约医疗保健系统(纽约州布法罗市)进行,并获得其部分支持。文中内容不代表美国退伍军人事务部或美国政府的观点。本研究还主要获得了美国国立卫生研究院/国立眼科研究所(NIH/NEI)R01 基金 EY013433(项目负责人:JMS)、NIH/NEI R24 基金 EY016662(UB 视觉基础设施中心,项目负责人:M Slaughter,生物光子学模块负责人:JMS)、防盲研究组织(纽约州纽约市)向布法罗大学眼科系/大学提供的无限制资助,以及奥谢基金会(纽约州布法罗市)资助的支持。我们感谢 Janis Lem 博士(塔夫茨大学新英格兰医学中心,马萨诸塞州波士顿市)惠赠 hC1 转基因 RHOP347S 小鼠品系及外显子 1 敲除小鼠 RHO 模型,以及 G. Jane Farrar 博士和 Peter Humphries 博士(都柏林圣三一学院,爱尔兰)惠赠的在小鼠 RHO 外显子 2 敲除背景下杂合状态的 NHR-E 转基因模型。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| C57BL6 (J) | 杰克逊实验室 | 664 | |
| N129R- | 不适用 | 不适用 | |
| 2HRho 1T/1T | 不适用 | 不适用 | |
| Envisu R-2200 眼科光学相干断层扫描仪 (OCT) | Bioptigen | 90-R2200-U1-120. | |
| 视网膜成像系统 (RIS) | 本单位自制 | 不适用 | |
| Stemi 2000C 显微镜 | 蔡司 | 000000-1106-133 | |
| P-97 Flaming/Brown 微量移液器拉制仪 | Sutter Instrument Co | p-97 | |
| MMN-33 微型操作器 | Narishige USA | MMN-33 | |
| PLI-100 微量注射器 | 哈佛仪器公司 | 64-1736 | |
| 微量移液器支架(旋转式) | 本单位自制 | 不适用 | |
| 微量移液器储存容器 | 世界精密仪器公司 | E210 | |
| 硼硅酸盐玻璃毛细管 1.5-1.8 X 100mm | 哈佛仪器公司 | 30-0053 | |
| 2,2,2-三溴乙醇 | SIGMA Aldrich | T48402-25G | |
| 叔戊醇 | SIGMA Aldrich | 240486-100ML | |
| 硫酸阿托品眼用溶液,USP 1% | Akorn 公司 | NDC 17478-215-05 | |
| Goniovisc | BioVision 有限公司 | NDC 17238-610-15 | |
| 盐酸环戊通眼用溶液,USP 2% | Akorn 公司 | NDC 17478-097-10 | |
| 硫酸庆大霉素软膏 USP,0.1% | Perigo | NDC 45802-046-35 | |
| Systane Ultra | 爱尔康实验室公司 | 9006619-1013 | |
| 盐酸丁卡因 | 博士伦 | NDC 24208-920-64 | |
| 眼用溶液,USP 0.5% | 博士伦 | NDC 24208-920-64 | |
| DPBS | 吉比科生命技术公司 | 14190-136 | |
| 病毒制剂 | ViGene /UNC | 不适用 | |
| 金纳米棒 | NANOPARTz | D12M-850-1.75 | |
| 荧光素硫酸盐 AK-FLUOR 25% | Akorn 公司 | NDC 17478-250-20 | |
| 盖玻片 | 费希尔科技公司 | 12-548-A | |
| 镊子 | Milton | 18-825 | |
| 30 号针头 | 贝克顿·迪金森 | W11604 | |
| 注射器 | 贝克顿·迪金森 | 309659 | |
| Bioptigen 软件包 | Bioptigen | 不适用 | |
| 盐酸丙帕他卡因眼用溶液,USP 0.5% | Akorn 公司 | NDC 17478-263-12 | |
| Windows Excel | 微软 | 不适用 | |
| Adobe Illustrator | Adobe | ||
| 天平 | 梅特勒 | ||
| 剪刀 | 世界精密仪器公司 | ||
| 耳标打孔器 | Nat’l band | ||
| CL 100 光源 | 韦尔奇·艾伦 | CL100 | |
| 氮气 | 杰克逊焊接供应公司 | 不适用 | |
| 加热水浴锅 | Neslab | RTE-140 | |
| 加热板 | 本单位自制 | 不适用 | |
| 加热垫 | 辛辛那提 Sub Zero | 273 | |
| 黏土小鼠固定器 | Plast.i.clay American Art Clay 公司 | 不适用 | |
| 聚维酮碘 | MedLine | NDC53329-938-06 | |
| 棉签 | 美国健康服务公司 | Ctag | |
| 70% 乙醇 | 费希尔科技公司 | BP2818-100 | |
| 腈类手套 | VWR | 89038-272 | |
| Diagnosys ERG 彩色圆顶仪器 | Diagnosys 公司 | D125 | |
| 隐形眼镜 | 本单位自制 | 不适用 | |
| Diagnosys 软件 | Diagnosys 公司 | 不适用 | |
| Origin 6.1 软件 | OriginLab 公司 | 不适用 | |
| 参考电极 | Ocuscience | F-螺纹电极 (DTL) 24” |
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