在农村或与军事相关的场景中,眼球开放性损伤可能数天内得不到治疗,从而导致失明。因此需要有效的治疗手段以最大限度减少视力丧失。本文详细介绍了一种眼球开放性损伤的器官培养模型。利用该模型,可对潜在的治疗药物在稳定此类损伤方面的效果进行科学评估。
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在农村或与军事相关的场景中,眼球开放性损伤可能数天内得不到治疗,从而导致失明。因此需要有效的治疗手段以最大限度减少视力丧失。本文详细介绍了一种眼球开放性损伤的器官培养模型。利用该模型,可对潜在的治疗药物在稳定此类损伤方面的效果进行科学评估。
眼球开放性损伤的视力预后较差,常导致永久性视力丧失。部分原因在于,在眼科医疗资源不易获得的农村环境和军事医学应用中,受伤与医疗干预之间存在较长时间的延误。当眼球失去其防水密封性后,未治疗的损伤容易发生感染,同时由于眼内低压导致组织活力丧失。如果能够合理开发出用于暂时封闭眼球开放性损伤的治疗手段,则有可能恢复眼内压并防止感染,直至获得适当的眼科治疗。为促进产品开发,本文详细介绍了使用前房器官培养开放性眼球损伤平台,以追踪损伤后至少72小时内的治疗效果。猪眼前段组织可在定制设计的器官培养皿中维持,并保持在生理眼内压水平。可通过气动系统制造穿通伤,该系统可产生直径最大达4.5 mm的损伤,与军事相关损伤尺寸相似。损伤后可连续观察72小时的眼内压下降情况,以确认损伤成功诱导及眼球防水屏障的丧失。在造成损伤后将治疗物施加于眼球表面,随后连续数天监测眼内压,即可评估其治疗效果。此外,眼前段损伤模型适用于多种广泛使用的方法,用于功能性及生物学层面监测眼前段生理状态,例如评估透明度、眼球力学性能、角膜上皮健康状况以及组织活力。总体而言,本文所述方法是迈向开发用于暂时封闭眼球开放性损伤的生物材料治疗手段的必要下一步,特别是在眼科医疗资源不易获得的情况下。
开放性眼球(OG)损伤若在受伤后未得到及时治疗或至少稳定处理,可能导致永久性视力丧失1。然而,在偏远地区,例如农村地区或军事作战场景的战场,由于难以及时获得眼科干预,延误治疗的情况十分普遍。当无法立即进行治疗时,目前的标准处理方法是使用硬质眼罩保护受伤眼,直至可实施医疗干预。在军事医学中,目前的延误时间最长可达24小时,但预计在未来城市环境的作战行动中,由于无法实施空中后送,这一时间可能延长至72小时2,3,4。在眼科干预资源有限的偏远农村等民用场景中,延误时间可能更长5,6。未治疗的OG损伤因眼球的密水结构遭到破坏,极易发生感染和眼内压(IOP)丧失7,8。若伤后至治疗之间的延迟时间过长,IOP的丧失将影响眼内组织的存活能力,使任何医疗干预都难以恢复视力9。
为了推动开发易于应用的治疗手段,以在患者获得眼科专家救治前临时封闭眼球破裂伤(OG)创口,此前已建立了一种台式眼球破裂伤模型10,11。利用该模型,可在眼内压(IOP)通过压力传感器实时监测的同时,在完整的猪眼球上模拟高速损伤。随后可应用治疗手段,评估其封闭眼球破裂伤创口的能力12。然而,由于该模型使用完整的猪眼球,仅能评估治疗手段的即刻效果,无法追踪治疗手段在患者抵达专科医疗前长达72小时内的长期效能,而在此期间治疗手段必须维持创口的稳定。因此,本方案中建立并详细描述了一种前段眼组织器官培养(ASOC)眼球破裂伤模型,作为评估治疗手段长期效能的实验平台13。
ASOC 是一种广泛使用的技术,可用于在眼球摘除后维持前房无血管组织(如角膜)长达数周14,15,16,17。在 ASOC 建立过程中,通过以生理流速灌注液体并保护调节眼内压(IOP)的组织——小梁网流出道区域,使前房维持在生理 IOP 条件下18,19。ASOC 平台能够生理条件下维持组织、利用气动驱动装置诱导眼压升高(OG)损伤、施加治疗干预,并在损伤后至少 72 小时内持续监测损伤的稳定情况13。
本文提供的方案详细阐述了如何逐步使用ASOC平台。首先,介绍了ASOC平台的搭建与制备方法;接着,详细说明了如何无菌分离眼前段组织并保留小梁网,随后将眼前段组织安置于定制的器官培养皿中进行培养。然后,描述了如何制造开放性眼球损伤,并在损伤后立即应用治疗干预措施。最后,本方案概述了可用于该方法的表征参数,这些参数可评估眼球的功能性、机械性和生物学特性,以及损伤稳定效果。总体而言,该模型为加速开发用于稳定和治疗开放性眼球损伤的产品提供了迫切需要的平台,有助于改善伤后视力预后不良的现状。
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在执行本方案之前,需注意有关在科研与培训中使用动物的法律和伦理要求。若使用活体动物获取眼组织,必须在开始前获得当地伦理或法律监管机构(如实验动物管理与使用委员会(IACUC)或伦理委员会等)的批准。若在获取动物使用许可方面存在任何疑问,不得继续进行。我们此前已确定并报道,死亡后24小时内获取并使用的新鲜猪眼在生理状态上最接近活体(in vivo)条件,适用于此类研究(Animal Technologies,Tyler,TX,USA)10,13。本方案全程未使用活体动物,所有组织均通过组织供应商在动物死亡后24小时内获取。
注意:在组织到达之前,制备好器官培养皿(补充方案 1)、夹紧环(补充方案 1)、培养皿支架(补充方案 1)、压力传感器数据采集装置(补充方案 2)以及气动穿刺平台(补充方案 3)。对培养皿、工具和耗材进行灭菌,并准备操作区域。建议设置一个非无菌区域用于眼球的大体解剖,因为眼球通常带有附着的结缔组织和眶周组织。这些初步步骤应在开放的洁净工作台面上进行,随后将眼球无菌转移至生物安全柜 II 级(BSC II)中进行显微解剖(1 号柜)。理想情况下,用于显微解剖的 BSC II 柜应与用于培养皿组装的 BSC II 柜(2 号柜)分开,以减少气流干扰并最大化工作空间。在显微解剖柜内配备解剖显微镜,并配置可视化工作面的设备(如从柜体伸出的摄像头或目镜)。
1. 灭菌步骤、耗材(详见材料表)及准备工作
2. 组织解剖
3. 在器官培养皿中设置前房段
4. 开始眼前段器官培养
5. ASOC的日常维护
6. 使用气动穿刺装置诱导 OG 损伤
注意:气动穿刺装置的构建详见补充方案 3。在眼内压(IOP)稳定后诱导视网膜神经节细胞(OG)损伤,通常在培养3天后达到稳定。根据生理眼内压,可接受的眼内压值为5-20 mmHg,可通过分析眼内压数据文件或按照补充方案 2中所述设置压力测量系统中的LED指示灯来确定。
7. 从培养物中去除ASOC
注意:根据终点分析方法的不同(参见代表性结果中可能的终点检测方法),气道上皮细胞(AS)可能需要保持在气液界面培养皿中膨胀状态,而其他方法则需要将AS组织从培养腔室中分离。以下方法描述了如何将AS从器官培养皿中取出,并移除其余装置。
8. 眼内压数据的分析
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通过光学相干断层扫描(OCT)捕获的图像展示了视神经夹伤(OG)损伤眼的典型表现,以说明成功诱导损伤的形态特征。图3展示了对照组和OG损伤眼前段组织在损伤后即刻以及72小时后的图像。图像包含两种视图:穿过损伤部位的横截面图像,以及用于显示图像表面区域的最大强度投影(MIPs)俯视图。对照组眼睛的角膜未见明显结构紊乱,而OG损伤后可清晰观察到贯穿整个角膜的损伤区域。从MIPs图像可见,损伤区域的形状和大小不规则,但损伤范围在72小时内有所缩小。此前研究表明,该变化在多种测试的损伤尺寸中均具有显著性13。
本方案所述 OG 损伤模型的主要数据输出为实验过程中眼内压的变化。数据以毫伏为单位记录,来源于各压力传感器的输出,可通过校准转换为 mmHg(补充方案 4)。文中提供了符合使用标准和不符合使用标准的眼内压随实验时间变化的示例数据(图 4A)。根据压力轨迹数据,眼睛在培养 24 小时后连...
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在使用ASOC OG损伤平台时,有几个关键步骤需要特别强调,以提高采用该方法时的成功率。首先,在前房解剖过程中,保留小梁网至关重要,但正确操作具有挑战性。如果小梁网遭到破坏,眼球将无法维持生理眼压,因而不符合实验使用标准。建议先在常规条件下练习解剖过程,待掌握正确的解剖技术后再引入额外的无菌操作要求。其次,在将眼球安置于ASOC培养皿中时,必须确保固定程度适中:既要足够紧密以防止液体泄漏,又要避免过紧而损坏ASOC培养皿。若眼球固定不牢,液体会通过非生理途径渗出,导致眼内压(IOP)极低甚至无法检测。然而,用于固定眼球的夹紧环为塑料材质,若过度拧紧则容易断裂。必须在两天内持续夹紧眼球,因为位于夹紧环下方的巩膜组织会在最初的24小时内发生压缩,导致组织松弛。建议在第1天拧紧夹环至感受到阻力为止,并在培养24小时后再次重新拧紧至相似程度,以获得最佳实验效果。
第三,在使用该模型时,必须充分了解流体流动在任何时候的流向。每个ASOC培养皿都连接了多个三通阀,用于引导来自注射泵或10 mL注射器储液器的液体流动,并连接至压力传感器。在不同的实验设置阶段,需要将阀门置于特定位置,以排出眼内气...
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作者声明不存在利益冲突。本文所表达的观点仅为作者的观点,不代表美国陆军军医部、陆军部、国防部或美国政府的官方政策或立场。
本材料基于美国国防部通过机构间协议(#19-1006-IM)与临时角膜修复采购项目(美国陆军医疗物资开发局)合作支持的工作。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 10-32 聚碳酸酯直插头,外螺纹管接头 | McMaster-Carr | 51525K431 | |
| 10-32 沉头内六角螺钉,½" | McMaster-Carr | 92196A269 | |
| 10 mL 注射器 | BD | 302995 | |
| 20 mL 注射器 | BD | 302830 | |
| Anti-Anti | Gibco | 15240-096 | |
| 球头L型内六角扳手 | McMaster-Carr | 5020A25 | |
| 聚维酮碘 | Fisher Scientific | NC1696484 | |
| BD Intramedic PE 160 管 | Fisher Scientific | 14-170-12E | |
| 棉签 | Puritan | 25-8061WC | |
| DMEM 培养基 | ATCC | 30-2002 | |
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| 精细镊子 | World Precision Instruments | 15914 | |
| 纱布 | Covidien | 8044 | |
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| 大型镊子 | World Precision Instruments | 500365 | |
| 大型手术剪 | World Precision Instruments | 503261 | |
| 中号带齿镊子 | World Precision Instruments | 501217 | |
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| 不锈钢18 G 直型 ½'’ 分配针头 | McMaster-Carr | 75165A675 | |
| 带盖无菌100 mL 烧杯 | VWR | 15704-092 | |
| Vannas 剪刀 | World Precision Instruments | WP5070 |
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