该方法通过从成年小鼠体内去除晶状体纤维细胞,保留附有晶状体上皮细胞(LECs)的囊袋,从而在活体中模拟白内障手术。in vivo 手术后不同时间点,采用分子和形态学标准评估损伤反应。
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该方法通过从成年小鼠体内去除晶状体纤维细胞,保留附有晶状体上皮细胞(LECs)的囊袋,从而在活体中模拟白内障手术。in vivo 手术后不同时间点,采用分子和形态学标准评估损伤反应。
白内障手术(CS)是治疗白内障的有效方法,而白内障是全球视力障碍的主要原因之一。然而,白内障手术会引起眼部炎症,长期可能导致后囊膜混浊(PCO)和/或晶状体脱位,其原因是术后晶状体上皮细胞(LECs)过度增殖并转化为肌成纤维细胞和/或异常纤维细胞所致。然而,白内障手术引发炎症和PCO的分子机制仍不明确,因为大多数 体外 模型未能重现观察到的 LECs 伤口愈合反应 体内然而,传统的白内障手术动物模型(如兔子)无法进行基因表达的遗传操作以验证相关机制。近期,本实验室及其他研究团队已成功利用转基因小鼠研究驱动炎症信号通路激活以及晶状体上皮细胞(LECs)向间充质细胞转化的分子机制,从而加深了对后发性白内障(PCO)发病机制的理解。本文报道了一种已建立的小鼠白内障手术建模方案,该方案可实现通过RNA测序对LECs在晶状体纤维细胞移除后的转录组反应进行可靠的分析,通过半定量免疫荧光评估蛋白质表达水平,并可结合现代小鼠遗传学工具,验证假设参与急性继发性病变(如炎症)以及后期LECs向肌成纤维细胞和/或异常晶状体纤维细胞转化相关基因的功能。
晶状体是一种高度有序且透明的组织,能够折射光线,将清晰聚焦的图像投射到视网膜上1,2,3。这一特化的器官被一层连续的基底膜(即晶状体囊)所包裹,使其与眼部其他结构相隔离。晶状体囊的前内表面附着一层晶状体上皮细胞(LECs),这些细胞在晶状体赤道区进一步分化为晶状体纤维细胞,后者构成了晶状体的绝大部分3。当晶状体因衰老、基因突变、紫外线辐射、氧化应激或眼部外伤等因素而失去透明性时,便会发生白内障4。白内障是全球范围内导致失明的主要原因之一,尤其在医疗条件较差的国家更为普遍5。目前,该疾病通常可通过超声乳化术进行有效治疗,即手术切除混浊的晶状体组织:首先去除中央部分的晶状体囊及其附着的晶状体上皮,随后使用振动探头将晶状体的细胞团块粉碎成较小碎片并吸出,最终保留一个带有部分附着赤道区LECs的囊袋结构1。术后最常用的视力恢复方法是植入人工晶状体(IOL)。
尽管白内障手术(CS)是一种高度有效且微创的白内障治疗方法,但术后眼部炎症的发生会显著影响患者的术后恢复5,6,8这种炎症可引起术后疼痛、视网膜水肿进而导致视网膜脱离,以及加重葡萄膜炎和青光眼等其他炎症性和纤维化性疾病。4,7,8,9术后白内障眼内炎症(PCS)通常采用抗炎眼药水治疗,但存在患者依从性差的问题;而无滴眼药水的白内障手术则可能导致飞蚊症发生率增加8,10,11长期来看,后囊膜混浊(PCO)的发生可能影响白内障手术(CS)的治疗效果12. PCO 发生的原因是手术后残留的晶状体上皮细胞(LECs)发生创伤愈合反应,增殖并迁移至晶状体后囊膜上 数月到数年,PCS 导致继发性视觉障碍13,14.
阐明白内障手术(CS)导致这些急性和慢性反应的分子机制是该领域面临的主要挑战,因为目前大多数关于后囊膜混浊(PCO)的研究依赖于在体外通过活性转化生长因子β(TGFβ)诱导晶状体上皮细胞(LEC)转化为肌成纤维细胞12,15。利用尸体角膜在体外培养建立的人类晶状体囊袋模型能够更好地反映晶状体囊膜下空间(PCS)的生物学特性,因为LEC在其天然基底膜上进行培养,但该模型在机制研究中难以操作,无法完全模拟眼内环境,且由于不同晶状体(或供体之间)的差异而具有固有的变异性16,17。兔1,18和非人灵长类动物19,20 体内白内障手术模型在一定程度上克服了上述问题,但仍难以用于深入的机制研究。值得注意的是,先前一项关于哺乳动物晶状体再生的研究发现,在小鼠中去除晶状体纤维细胞而保留晶状体上皮细胞和囊膜后,四周内可观察到显著的晶状体再生;而当整个晶状体被完全移除时,则未发生晶状体再生21,22。随后,我们对该手术方法进行了优化和简化,使其适用于研究LEC在晶状体纤维细胞去除后的急性反应,以及其后续向具有肌成纤维细胞和纤维细胞特性的混合细胞群体转化的过程。
利用这种白内障手术的小鼠模型,我们已证明晶状体上皮细胞在术后6小时(PCS)即显著重塑其转录组,产生大量促炎性细胞因子23,并在术后24小时(PCS)即开始表达纤维化标志物12,23,早于经典的TGFβ信号通路的激活。利用该模型在基因敲除小鼠中进行的机制性实验表明,晶状体上皮细胞(LECs)表达的细胞型纤连蛋白对于术后持续的纤维化反应是必需的,这可能与其在纤维化细胞外基质(ECM)组装及细胞信号传导中的作用均有关12。其他研究显示,由于αVβ8-整合素在TGFβ激活中的功能,其对于晶状体上皮细胞向肌成纤维细胞的转化至关重要;此外,该策略在发现抗后发性白内障(PCO)治疗靶点方面的潜力也得到了验证,因为αVβ8-整合素拮抗剂同样可阻断晶状体上皮细胞的上皮-间质转化(EMT)15。
本文提供了一项详细的操作方案,介绍如何在活体小鼠中去除晶状体纤维细胞(图1和 图4),同时保留晶状体囊膜和晶状体上皮细胞(LEC),以模拟白内障手术后LEC的反应。
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本方案已获得特拉华大学机构动物护理和使用委员会(协议号:#1039-2021-1)的批准。根据眼科和视觉研究中动物使用协会研究视觉与眼科学(ARVO)的规定24,所有眼部存活手术只能在单眼进行。有关本方案中所用试剂和仪器的详细信息,请参见材料表。提取晶状体纤维 和缝合 的替代方法分别如图2 和 图3所示。
1. 动物
2. 溶液与手术器械的准备
麻醉前准备
4. 麻醉
5. 做切口
6. 将晶状体纤维与囊袋分离
7. 充盈前房并缝合角膜切口
8. 术后护理
注意:将局部抗生素软膏涂抹于眼部,并给予镇痛剂。小鼠不 术后通常会出现痛苦迹象。如有需要,可使用缓释型布托啡诺。
9. 监测动物恢复
10. 安乐死
11. 对收获的晶状体组织进行进一步分析
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根据该手术方法的结果,Duncan 实验室利用这种白内障手术小鼠模型构建了术后晶状体上皮细胞的损伤反应时间进程(图5)。术后6小时,5%的晶状体上皮细胞转录组出现差异表达(图6A),其中包括大量即刻早期反应基因和促炎性细胞因子的上调23(图6B)。术后24小时,晶状体上皮细胞(LEC)转录组进一步重塑,与未受干预的LEC相比,其转录组中有16%出现差异表达23。这包括多种参与炎症反应的基因显著上调,如CXCL1、S100a9和CSF3/G-CSF,以及首次检测到纤维化标志物的上调,例如α-平滑肌肌动蛋白、tenascin C和fibronectin31,32。纤维化标志蛋白以及TGFβ活化调节因子αVβ8整合素在术后48小时显著上调,同时转录组进一步...
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该手术技术需要高超的小鼠操作和显微外科技能,需经过练习才能掌握。其中最难掌握的是在角膜上放置细小缝线以闭合伤口。假设实验人员从未接触过缝合操作,则建议首先使用绳子和布料进行练习,然后在小型水果上使用粗缝线练习,以掌握打外科方结所需的手部动作。接着,实验人员应在水果上练习使用手术刀做切口,并对切口进行缝合,所用的水果应逐渐变小(例如先用葡萄,再过渡到蓝莓)。此外,实验人员还需使用逐渐变细的材料(如从毛线到细绳再到头发丝)练习打方结缝合,直至能够熟练使用本实验所需的细小10-0尼龙缝线完成方结。
本文介绍了一种模拟白内障手术后晶状体上皮细胞(LECs)所感知损伤的技术,旨在阐明LECs对损伤反应的分子机制。该方法的主要优势包括:(1)LECs的损伤反应发生在活体眼球的生理环境中;(2)该小鼠模型可同时利用遗传学工具和药理学抑制剂,研究晶状体损伤反应的机制以及残留晶状体上皮细胞的表型转变过程;(3)可用于测试潜在的治疗手段,以干预LECs的损伤反应进程,从而预防后发性白内障(PCO);(4)无需添加外源性因子(如体外激活的TGFβ),即可完整观察LECs对手术损伤的全部反应过程,包括细胞增殖、迁...
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Duncan 实验室已获得 Pliantx 的资金支持,以利用该手术模型测试抗 PCO 疗法。
本工作由国家眼科研究所(EY015279 和 EY028597)和特拉华州 INBRE(P20 GM103446)资助。
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| 2.5% 盐酸去氧肾上腺素眼用溶液 USP | Akorn | 17478-200-12 | |
| 26 G 1/2 针头 - 直头 | BD PrecisionGlide | 5111 | |
| 27 G 45° 弯曲分配尖端 1" | Harfington | ||
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| 赛拉嗪/氯胺酮/乙酰丙嗪(35 mg/kg, 80 mg/kg, 0.5 mg/kg)溶液 | APP Pharmaceticals | 401730D |
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