氧诱导的视网膜病变(OIR)可用于模拟缺血性视网膜疾病,如早产儿视网膜病变和增殖性糖尿病视网膜病变,并可作为评估抗血管生成药物治疗新生血管疾病的概念验证研究模型。OIR 可在视网膜中诱导出显著且可重复的新生血管形成,且该过程可被定量分析。
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氧诱导的视网膜病变(OIR)可用于模拟缺血性视网膜疾病,如早产儿视网膜病变和增殖性糖尿病视网膜病变,并可作为评估抗血管生成药物治疗新生血管疾病的概念验证研究模型。OIR 可在视网膜中诱导出显著且可重复的新生血管形成,且该过程可被定量分析。
缺血性视网膜病变的常用模型之一是氧诱导视网膜病变(OIR)模型。本文详细描述了小鼠和大鼠OIR模型的建立方法及其检测指标。在OIR模型中,通过将新生啮齿类动物暴露于高氧环境(小鼠)或交替的高氧与低氧环境(大鼠)来诱导视网膜新生血管形成。该模型的主要检测指标是视网膜新生血管(NV)区域和无血管(AVA)区域的大小。这一临床前体内模型可用于评估潜在抗血管生成药物的疗效,或利用基因修饰动物研究特定基因在视网膜血管生成中的作用。该模型在不同品系和供应商之间存在一定的OIR诱导差异,在实验设计时应予以考虑。
为了研究血管生成性眼病的病理机制并开发针对这些严重疾病的新型治疗方法,需要可靠且可重复的实验模型。病理性血管生成是湿性年龄相关性黄斑变性(AMD)以及多种缺血性视网膜疾病(包括早产儿视网膜病变(ROP)、增殖性糖尿病视网膜病变(PDR)和视网膜静脉阻塞(RVO))的典型特征1,2,3,4。人类和啮齿类动物的视网膜发育模式相似,两者均属于最后完成血管化的组织之一。在视网膜血管系统完全发育之前,视网膜的营养供应来自玻璃体血管系统,而当视网膜血管开始发育时,玻璃体血管系统则随之退化1,2。在人类中,视网膜血管发育在出生前即已完成,而在啮齿类动物中,视网膜血管的生长则发生在出生后。由于啮齿类动物的视网膜血管发育发生在出生后,因此为研究血管生成提供了理想的模型系统2,3。新生啮齿类动物具有无血管的视网膜,该结构逐渐发育,直至出生后第三周结束时完成完整的视网膜血管化4。新生小鼠的生长中血管具有可塑性,在高氧刺激下会发生退化5。
ROP 是西方国家儿童失明的主要原因,几乎影响了出生体重低于 1,250 g 的早产儿中的 70%6,7。ROP 发生于早产儿,这些婴儿出生时视网膜血管尚未完成 其正常发育过程。ROP 的发展分为两个阶段:在第一阶段,早产导致视网膜血管生长延迟;在第二阶段,发育中视网膜未完成的血管化引发缺氧,从而诱导促血管生成生长因子的表达,刺激异常新生血管的形成8。OIR 模型已被广泛用于研究 ROP 及其他缺血性视网膜病变的病理生理机制,并用于测试新型候选药物2,3,9。该模型被普遍认为是开展潜在抗血管生成药物概念验证研究的可重复模型,适用于眼部及非眼部疾病。两种啮齿类动物模型,即小鼠和大鼠 OIR 模型,在模型诱导方式和疾病表型上有所不同。大鼠模型更准确地模拟了人类 ROP 的表型,而小鼠模型则为视网膜新生血管(NV)提供了更稳定、快速且可重复的模型。在小鼠模型中,新生血管向视网膜中央区域发展。这一病理学读数在多种缺血性视网膜病变(如 PDR、RV 和渗出性 AMD)以及非眼部血管生成性疾病(如癌症)的药理学疗效研究中具有重要意义。此外,由于存在大量可进行遗传操作(转基因和基因敲除)的小鼠品系,小鼠 OIR 模型成为更受欢迎的选择。然而,无论是小鼠还是大鼠 OIR 模型,均不产生人类疾病中常见的视网膜纤维化。
20世纪50年代认识到高氧水平可促进早产儿视网膜病变(ROP)的发生10,11 导致了动物模型的开发。关于氧气作用的首批研究 视网膜血管的研究始于1950年12,13,14 直到20世纪90年代,氧诱导视网膜病变(OIR)模型经历了多次改进。Smith等人在1994年的研究为该模型确立了标准 当前将玻璃体病变与视网膜病变分离的小鼠OIR模型15康纳等人(Connor et al.,2009)提出的方法被广泛用于量化血管消退和病理性新生血管,进一步提升了该模型的普及程度16. 在该模型中,小鼠被置于75%氧气(O2) 在P7开始持续5天,随后在常氧条件下维持5天。从P7至P12暴露于高氧环境可导致视网膜中央区域血管系统退化。当恢复至常氧条件时,无血管视网膜区域出现缺氧(图1A)。由于无血管的中央视网膜受到缺氧刺激,部分视网膜血管向玻璃体方向出芽,形成视网膜前新生血管,称为视网膜前血管簇2,3。这些血管丛未成熟且通透性过高。新生血管(NV)数量在出生后第17天(P17)达到峰值,随后开始退化。视网膜在出生后第23至25天(P23–P25)完全再血管化,新生血管完全消退。图2A)2,3.
大鼠OIR模型(使用不同浓度的O₂)2) 于20世纪90年代首次被描述,表明变化的O2 80% 和 40% 水平下的缺氧比在 80% 氧气条件下引起更显著的新生血管形成2 持续暴露17随后发现,间歇性低氧模型,即O2 从高氧(50%)循环至低氧(10-12%)的条件比80/40%氧浓度循环引发更显著的新生血管形成2 模型18在50/10%模型中,新生大鼠先暴露于50%氧气环境中24小时,随后转入10%氧气环境中继续暴露24小时。2这些循环持续至P14,随后将大鼠幼崽恢复至常氧条件(图1B)。与人类早产儿视网膜病变(ROP)患者相似,在大鼠模型中,由于视网膜血管丛发育不成熟,无血管区会向视网膜周边部扩展图3).
在这两种模型中,通常量化的关键参数是新生血管面积(AVA)和新生血管(NV)的大小。这些参数通常通过视网膜铺片进行分析,其中血管内皮细胞被标记4,16。此前,通过计数穿过内界膜延伸至玻璃体的血管或血管细胞核的数量,来评估视网膜前新生血管的量。该方法的主要局限性在于无法对新生血管面积(AVA)进行量化。
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本方案已获得芬兰国家动物伦理委员会批准(方案编号:ESAVI/9520/2020 和 ESAVI/6421/04.10.07/2017)。
1. 实验动物与小鼠氧诱导视网膜病变模型的建立
注意:使用配型时间一致的动物,例如常用的 C57BL/6J 小鼠,以获得同一天出生的仔鼠。使用代乳母鼠,例如 129 品系(129S1/SvImJ 或 129S3/SvIM)的哺乳期母鼠,在高氧暴露诱导期间及之后哺育仔鼠。或者,确保有额外的哺乳期母鼠备用,以防因母鼠疲劳需要更换。当使用 C57BL/6J 小鼠/母鼠时,每只母鼠哺育的仔鼠数量应限制在 6–7 只(若窝仔数超过此范围,仔鼠体重增长通常会受限)16。
2. 实验动物与大鼠氧诱导视网膜病变模型的建立(使用半封闭系统)
注意:使用同期交配的动物以获得同一天出生的幼鼠。对于大鼠氧诱导视网膜病变(OIR)模型,应增加每窝幼崽数量,约为每只母鼠18只幼崽,以在大鼠模型中获得足够的新生血管诱导。将多个窝的幼崽合并,以确保每组有足够的幼崽数量。
3. 药物给药(可选)
注意:氧诱导视网膜病变(OIR)模型中常用的给药途径为玻璃体内注射(ivt),小鼠在出生后12至14天(P12-P14)进行,大鼠在出生后14天(P14)进行。具体治疗时间应根据实验设计确定。当实验中使用多个窝的幼崽时,应将各窝动物均分配至各个处理组中。建议仅对单眼注射药物,对侧眼作为对照。
4. 体内成像与视网膜电图检测(可选)
5. 组织采集与视网膜平铺片制备
注意:根据所需的研究假设收集组织。对于小鼠,例如可在P12(研究高氧阶段后的血管闭塞)或缺氧期(P13-P17)采集样本。在P17采集小鼠氧诱导视网膜病变(OIR)样本,这是最常用的取样时间点,用于检测新生血管(NV)数量的峰值。在大鼠OIR模型中,于P18-P21采集样本以观察到最显著的新生血管量(图3)。
6. 平铺样品的分析
7. 统计学
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该模型的主要结果是血管表型:即动静脉吻合支(AVA)的大小和新生血管(NV)的数量。在小鼠氧诱导视网膜病变(OIR)模型中,血管闭塞发生在视网膜中央区域(图2A),而在大鼠模型中则发生在视网膜周边区域,即类似于人类早产儿视网膜病变(ROP)22(图3A)。这是因为小鼠在暴露于高氧环境时,其视网膜浅层血管丛已经发育;而在大鼠模型中,视网膜在OIR诱导时(P0)仍处于无血管状态。视网膜前新生血管形成于无血管区域附近,即小鼠位于视网膜中央,大鼠则位于周边区域(图2A 和 图3A)。
可利用视网膜的横切面或平铺片进行组织学分析,以评估氧诱导视网膜病变(OIR)模型中视网膜的形态学改变,或检测特定细胞类型(例如炎性细胞)的存在情况(图2B)。除视网膜...
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在小鼠和大鼠的氧诱导视网膜病变(OIR)模型中,疾病表型的严重程度不仅取决于品系,甚至受供应商影响23。这表明在病理发展过程中存在广泛的基因型变异。通常情况下,有色大鼠比白化大鼠表现出更严重的表型。例如,白化BALB/c小鼠的视网膜血管在高氧暴露后能迅速再血管化,且完全不发生新生血管(NV)24。同样,在大鼠中,有色的Brown Norway大鼠比白化的Sprague Dawley(SD)大鼠表现出更严重的病理变化25。SD大鼠是常用的品系,但在该品系中也已报道存在供应商相关的OIR表型差异。例如,来自Charles River的SD大鼠产生的新生血管显著多于来自Harlan或Zivic-Miller的SD大鼠23。而C3H/HeJ小鼠由于携带视网膜变性1(Rd1)基因的突变 ,其视网膜较薄,且不发生新生血管26。由于上述原因以及转基因小鼠品系的可获得性,近交系C57BL/...
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作者 Maria Vähätupa(博士)、Niina Jääskeläinen、Marc Cerrada-Gimenez(博士)和 Rubina Thapa 是 Experimentica Ltd. 的员工。
作者 Giedrius Kalesnykas 博士是 Experimentica Ltd. 的雇员(总裁兼首席执行官)及股东,该公司提供利用本文章中所用的临床前 OIR 模型的合同研究服务。
Tero Järvinen,医学博士,哲学博士,以及 Hannele Uusitalo-Järvinen,医学博士,哲学博士,无任何利益冲突披露。
感谢Marianne Karlsberg、Anne Mari Haapaniemi、Päivi Partanen和Anne Kankkunen提供的出色技术支持。本工作由芬兰科学院、Päivikki和Sakari Sohlberg基金会、坦佩雷结核病基金会、芬兰医学基金会、皮尔坎马医院区研究基金会以及坦佩雷大学医院研究基金资助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 33 号小柄 RN 针头 | Hamilton Company | 7803-05, 10mm, 25°, PS4 | 用于玻璃体内注射 |
| Adobe Photoshop | Adobe Inc. | 用于图像分析 | |
| 气泵 air100 | Eheim GmbH & Co. KG. | 143207 | 用于吸入麻醉 |
| 麻醉仪 410 AP | Univentor Ltd. | 2360309 | 用于吸入麻醉 |
| AnalaR NORMAPUR 钠石灰 | VWR International Ltd | 22666.362 | 用于模型诱导期间的 CO₂ 控制 |
| Attane Vet 1000 mg/g | VET MEDIC ANIMAL HEALTH OY | vnr 17 05 79 | 用于吸入麻醉 |
| 刷子 | 用于制备平铺标本 | ||
| 二氧化碳气体 | 用于安乐死 | ||
| Celeris D430 ERG 系统 | Diagnosys LLC | 121 | 用于 in vivo ERG |
| 细胞培养皿 | Greiner Bio-One International GmbH | 664 160 | 用于制备平铺标本 |
| Cepetor Vet 1 mg/mL | VET MEDIC ANIMAL HEALTH OY | vnr 08 78 96 | 用于麻醉 |
| 盖玻片 | Thermo Fisher Scientific | 15165452 | 用于制备平铺标本 |
| O₂ 控制 InVivo 柜、动物过滤系统和除湿机 | Coy Laboratory Products | 用于疾病模型诱导的封闭系统,可选用于半封闭系统 | |
| E702 O₂ 传感器 | BioSphenix, Ltd. | E207, 1801901 | 用于氧浓度测量 |
| Envisu R2200 谱域光学相干断层扫描仪(SD-OCT) | Bioptigen, Inc. | BPN000668 | 用于 in vivo 成像 |
| 眼球穿刺针 | Beaver-Visitec International, Inc. | 0008685 | 用于玻璃体内注射和 in vivo 成像 |
| Flexilux 600LL 冷光源 | Mikron | 11140 | 用于玻璃体内注射或组织采集 |
| 荧光素钠盐 | Merck KGaA | F6377-100G | 用于 in vivo 成像 |
| 废气排放装置(含双三通阀、小鼠和大鼠面罩、UNOsorb 滤芯) | UNO Roestvaststaal BV | GEX 17015249 | 用于吸入麻醉 |
| 玻璃注射器,型号 65 RN | Hamilton Company | 7633-01 | 用于玻璃体内注射 |
| HRA2 视网膜血管造影仪(FA) | Heidelberg Engineering GmbH | Spec-KT-05488 | 用于 in vivo 成像 |
| 凝集素 GS-IB4,Alexa Fluor 488 标记物 | Thermo Fisher Scientific | I21411 | 用于平铺标本上视网膜血管的标记 |
| Ketaminol Vet 50 mg/mL | Intervet International B.V. | vnr 51 14 85 | 用于麻醉 |
| 医用氧气气体 | 用于疾病模型诱导 | ||
| 小鼠 C57BL/6JRj | Janvier Labs | 也可使用其他品系 | |
| 显微镜载玻片 | Thermo Fisher Scientific | J1800AMNZ | 用于制备平铺标本 |
| 聚维酮碘 5% 单剂量制剂(单位) | Bausch & Lomb U.K Limited | vnr 24 11 304 | 用于玻璃体内注射 |
| 氮气 | 用于疾病模型诱导(大鼠) | ||
| Oftan Chlora 10 mg/g | Santen Pharmaceutical Co., Ltd. | vnr 55 01 11 | 用于玻璃体内注射 |
| Oftan Metaoksedrin 100 mg/ml | Santen Pharmaceutical Co., Ltd. | vnr 55 03 43 | 用于 in vivo ERG |
| Oftan Obucain 4 mg/ml | Santen Pharmaceutical Co., Ltd. | vnr 55 03 50 | 用于玻璃体内注射 |
| Oftan Tropicamid 5 mg/ml | Santen Pharmaceutical Co., Ltd. | vnr 04 12 36 | 用于 in vivo 成像 |
| ProOx Model 110 氧气控制器及动物舱 | BioSphenix, Ltd. | 803 | 用于疾病模型诱导,适用于半封闭系统,可选用于封闭系统 |
| ProOx Model P360 氧气控制器及动物舱 | BioSphenix, Ltd. | 538 | 用于疾病模型诱导,适用于半封闭系统,可选用于封闭系统 |
| 大鼠 CD(SD) | Charles River Laboratories | 也可使用其他品系 | |
| Revertor 5 mg/mL | VET MEDIC ANIMAL HEALTH OY | vnr 13 04 97 | 用于麻醉逆转 |
| 硅胶 | 用于模型诱导期间的湿度控制 | ||
| Systane Ultra 10ml | Alcon | Tamro 2050250 | 用于眼部保湿 |
| Systane Ultra 单剂量制剂 0.7ml | Alcon | Tamro 2064871 | 用于眼部保湿 |
| 移液管 | Thermo Fisher Scientific | 1343-9108 | 用于制备平铺标本 |
| VENTI-Line VL 180 PRIME 干燥箱 | VWR | VL180S 170301 | 用于干燥硅胶 |
| VisiScope SZT350 体视显微镜 | VWR | 481067 | 用于玻璃体内注射或组织采集 |
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