本方案详细描述了小鼠视网膜平铺片的制备与免疫荧光染色及分析方法。同时详细介绍了小鼠幼崽的荧光素眼底血管造影(FFA)技术及图像处理方法。
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本方案详细描述了小鼠视网膜平铺片的制备与免疫荧光染色及分析方法。同时详细介绍了小鼠幼崽的荧光素眼底血管造影(FFA)技术及图像处理方法。
氧诱导视网膜病变(OIR)被广泛用于研究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)在内的缺血性视网膜疾病中的异常血管生长。大多数OIR研究仅在特定时间点观察视网膜新生血管形成;然而,活体小鼠在时间进程中的动态血管生长过程——这对于理解与OIR相关的血管疾病至关重要——仍研究不足。本文中,我们描述了一种诱导OIR小鼠模型的逐步实验方案,强调了潜在的技术难点,并提供了一种改进的方法,通过免疫荧光染色快速定量血管闭塞(VO)和新生血管(NV)区域。更重要的是,我们在OIR小鼠模型中通过荧光素眼底血管造影(FFA)对活体小鼠从P15到P25期间的血管再生过程进行了连续监测。将FFA应用于OIR小鼠模型使我们能够观察血管再生过程中的重塑变化。
视网膜新生血管形成(RNV)是指病理性新生血管起源于现有的视网膜静脉,通常沿视网膜内表面延伸,并向玻璃体(或在某些情况下向视网膜下腔)生长1。它是多种缺血性视网膜病变的典型特征和常见表现,包括早产儿视网膜病变(ROP)、视网膜静脉阻塞(RVO)和增殖性糖尿病视网膜病变(PDR)2。
大量临床和实验观察表明,缺血是视网膜新生血管形成的主要原因3,4。在早产儿视网膜病变(ROP)中,为了提高存活率,新生儿在密闭培养箱中暴露于高浓度氧气环境,这同时也是导致血管生长停滞的重要因素。治疗结束后,新生儿视网膜会经历一个相对缺氧的时期5。在视网膜静脉阻塞(RVO)中可观察到中央或分支视网膜静脉的闭塞情况,而在增殖性糖尿病视网膜病变(PDR)中则可见由微血管病变引起的视网膜毛细血管损伤2。缺氧进一步通过缺氧诱导因子-1α(HIF-1α)信号通路增加血管生成因子(如血管内皮生长因子,VEGF)的表达,从而引导血管内皮细胞向缺氧区域生长并形成新生血管6,7。
早产儿视网膜病变(ROP)是一种发生在早产儿中的血管增生性视网膜病,也是导致儿童盲症的主要原因之一8,9,其特征为视网膜缺氧、视网膜新生血管形成以及纤维组织增生10,11,12。20世纪50年代,研究人员发现高浓度氧气可显著改善早产儿的呼吸症状13,14,因此当时氧疗在早产儿中被越来越广泛地使用15。然而,随着氧疗在早产儿中的普遍应用,ROP的发病率逐年上升。自此,研究人员开始将氧气暴露与ROP联系起来,并建立多种动物模型以探究ROP及视网膜新生血管(RNV)的发病机制16。
在人类中,大部分视网膜血管系统的发育在出生前已完成,而在啮齿类动物中,视网膜血管在出生后发育,这为研究视网膜血管系统的血管生成提供了一个易于操作的模型系统2。随着研究的不断进展,氧诱导视网膜病变(OIR)模型已成为模拟缺血所致病理性血管生成的主要模型。在OIR模型的研究中并无特定的动物物种限制,该模型已在多种动物物种中建立,包括小猫17、大鼠18、小鼠19、比格犬幼犬20和斑马鱼21。所有这些模型均基于相同的机制,即在视网膜早期发育阶段暴露于高氧环境,随后恢复至常氧环境。Smith等人观察到,将出生后第7天(P7)的小鼠幼崽暴露于高氧环境5天,可导致中央视网膜血管显著退化,而在出生后第12天(P12)将其恢复至室内空气环境后,逐渐触发新生血管簇的形成,这些新生血管向玻璃体方向生长19。这一标准化的小鼠OIR模型也被称为Smith模型。Connor等人在2009年进一步优化了实验方案,提供了一种可广泛适用的方法,用于定量测量血管闭塞区(VO)和新生血管区(NV)的面积,从而提高了该模型的接受度和使用率22。由于小鼠体型小、繁殖快、遗传背景清晰、重复性好且成功率高,OIR小鼠模型至今仍是应用最为广泛的模型。
在小鼠中,视网膜血管化始于出生后,血管从视神经乳头向内层视网膜延伸至锯齿缘。在正常视网膜发育过程中,首批视网膜血管于出生前后从视神经乳头处出芽,形成一个不断扩展的血管网络(初级血管丛),约在出生后第7天(P7)到达视网膜周边区域23。随后,血管开始向视网膜深层生长,穿透视网膜,并在内核层(INL)周围建立分层的血管网络,类似于人类的结构24。到出生后第三周结束时(P21),深层血管丛的发育已基本完成。在氧诱导视网膜病变(OIR)小鼠模型中,由于高氧暴露期间中央区域大量未成熟血管网络迅速退化,血管闭塞总是出现在中央视网膜。因此,病理性新生血管的生长主要发生在中周部视网膜,即无灌注区与有血管区的交界处。然而,人类视网膜血管在出生前已基本形成。对于早产儿而言,当暴露于高氧环境时,周边视网膜尚未完成血管化25,26。因此,血管闭塞和新生血管主要出现在周边视网膜27,28。尽管存在这些差异,小鼠OIR模型仍能高度模拟缺血诱导的病理性新生血管形成过程中的关键病理事件。
OIR 模型的诱导可分为两个阶段29:在第一阶段(高氧阶段),由于 VEGF 水平下降以及内皮细胞发生凋亡,视网膜血管发育受到抑制或延缓,导致血管闭塞和退化24,30;在第二阶段(缺氧阶段),在常氧环境下视网膜的氧气供应将变得不足29,而氧气对于神经发育和稳态维持至关重要19,31。这种缺血状态通常会导致失控性的异常新生血管形成。
目前常用的造模方法是交替高低氧暴露:在出生后第7天(P7)开始,将母鼠及其幼崽暴露于75%氧气环境中5天,随后在空气中饲养5天至出生后第17天(P17),该时间点为氧诱导视网膜病变(OIR)小鼠模型诱导的终点,此方法已显示出可重复的结果22。(图1)。除了模拟早产儿视网膜病变(ROP)外,这种由缺血介导的病理性新生血管形成还可用于研究其他缺血性视网膜疾病。该模型的主要检测指标包括对无血管区(VO)和新生血管(NV)面积进行定量分析,这些指标通过视网膜铺片的免疫荧光染色或FITC-葡聚糖灌注来评估。由于操作具有致死性,每只小鼠仅能用于一次实验。目前,在血管退化和病理性血管生成过程中,连续观察视网膜血管动态变化的方法仍较少32。本文提供了一套详细的OIR模型建立方法、视网膜铺片分析流程,以及小鼠荧光素眼底血管造影(FFA)的操作流程,有助于更全面地理解OIR小鼠模型两个阶段中血管的动态变化。
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所有涉及小鼠使用的实验程序均经中山大学中山眼科中心动物实验伦理委员会批准(批准编号:2020-082),并遵循中山眼科中心动物护理与使用委员会及视力与眼科研究协会(ARVO)《眼科与视力研究中动物使用声明》中的相关规定。
1. 小鼠OIR模型的诱导
2. 视网膜整体装片的制备与免疫荧光染色
3. 视网膜平铺样品的分析与定量
注意:在氧诱导视网膜病变(OIR)小鼠模型中,研究人员通常记录P12至P25期间中央视网膜血管闭塞区域以及周边视网膜病理性新生血管的范围。既往研究表明,视网膜中央无血管区在P12时达到最大,随后从P13至P17逐渐缩小;与此同时,OIR小鼠视网膜新生血管面积在约P17时达到峰值22,29。从P17开始,新生血管逐渐消退,功能性血管重新生长进入无血管区域。至P25时,视网膜血管结构基本恢复正常33。
4. 体内 荧光素眼底血管造影(FFA)成像
注意:对于氧诱导视网膜病变(OIR)小鼠,由于实验动物死亡,荧光素异硫氰酸酯(FITC)灌注和免疫荧光染色均只能使用一次。相比之下,荧光素眼底血管造影(FFA)的一个优势在于能够活体观察小鼠视网膜血管在发育和病理状态下的动态变化in vivo35,36。
5. 荧光素眼底血管造影(FFA)的图像处理
6. 统计分析
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在OIR小鼠模型中,最重要且最基本的结果是对无灌注区(VO)和新生血管(NV)面积的定量分析。从出生后第7天(P7)起,幼鼠在高氧环境中生活5天后,视网膜中央区域出现最大范围的无灌注区。随后在低氧刺激下持续5天,视网膜逐渐形成新生血管,其荧光强度高于周围正常血管。出生后第17天(P17)之后,随着视网膜的重塑,病理性新生血管的荧光信号迅速消退(图5A)。通过控制每窝幼鼠数量及其出生后的体重增长,OIR小鼠模型中的VO和NV面积表现出良好的重复性和稳定性,且视网膜新生血管的峰值出现在P17,与既往研究结果一致(图5B、C)。
荧光素眼底血管造影(FFA)是研究视网膜血管结构的理想工具。由于FFA可在活体(in vivo)中应用,因此能显著减少实验动物的消耗,同时可随时间动态观察视网膜血管的变化。在以往的研究中,FFA较少用于新生小鼠,且通常仅提供单一视角的图像,不利于进一步分析。在本实验方案中,通过图像处理软件将视...
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小鼠对氧诱导视网膜病变(OIR)的易感性受多种因素影响。不同遗传背景和品系的幼鼠之间不可相互比较。在BALB/c白化小鼠中,血管会迅速重新生长进入无血管区(VO区域),新生血管簇显著减少38,这给研究带来一定困难。与BALB/cJ小鼠品系相比,C57BL/6小鼠表现出更严重的光感受器损伤39,40。不同类型的转基因小鼠也存在类似差异41,42,43。此外,与129S3/SvIM小鼠相比,C57BL/6小鼠的血管生成水平较低44。
出生后体重增长(PWG)也是需要考虑的重要因素45,是评估新生儿营养状况的指标之一。PWG 已成为预测早产儿视网...
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作者无任何利益冲突需要披露。
感谢我们实验室及中山眼科中心眼科动物实验室所有成员提供的技术支持。同时感谢刘春巧教授给予的实验支持。本研究得到国家自然科学基金(NSFC:81670872;中国北京)、广东省自然科学基金(资助号:2019A1515011347)以及中山眼科中心眼科学国家重点实验室高水平医院建设项目的资助(资助号:303020103;中国广东省广州市)。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
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| 2 ml 微型离心管 | Corning | MCT-200-C | 用于制备视网膜平铺片 |
| 48 孔透明 TC 处理多孔板 | Corning | 3548 | 用于制备视网膜平铺片 |
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| Adobe Photoshop CC 2019 | Adobe Inc. | 用于图像分析 | |
| 二氧化碳气体 | Various | 用于安乐死 | |
| 盖玻片 | Various | 用于制备视网膜平铺片 | |
| 弯头镊子 | World Precision Instruments | 14127 | 用于制备视网膜平铺片 |
| DAPI 染色液 | Abcam | ab228549 | 用于视网膜平铺片上细胞核的标记 |
| 解剖显微镜 | Olmpus | SZ61 | 用于制备视网膜平铺片 |
| 荧光素钠 | Sigma-Aldrich | F6377 | 用于 in vivo 成像 |
| 荧光显微镜 | Zeiss | AxioImager.Z2 | 用于获取视网膜平铺片的荧光图像 |
| Fluoromount-G 封片介质 | SouthernBiotech | 0100-01 | 用于制备视网膜平铺片 |
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