Name: 超高分辨率小鼠光学相干层析成像辅助眼内注射在视网膜基因治疗中的应用 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-11-02T12:30:00.000+00:00
Duration: 10 min 10 s
Description: 学习使用超高分辨率光学相干层析成像技术辅助小鼠视网膜下腔注射，实现基因治疗载体递送的实时监测与精确定位，并评估光感受器活力及定量测量视网膜外层厚度变化。

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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&#160; 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。

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
<ol>
	<li>确定待评估的小鼠模型，包括对照组。 
	注意：成像实验使用了C57BL/6(J)、hC1/hC1//mWT/mWT小鼠，这是一种部分人源化的小鼠视网膜变性模型，其基因型为野生型（WT）小鼠RHO+/+背景下纯合携带人突变RHOP347S hC1等位基因26,27；还使用了hC1 x BL/6(J)小鼠，这是一种部分人源化模型，在WT小鼠RHO+/+背景下携带单拷贝人突变RHOP347S hC1等位基因（hC1/-//mWT/mWT），通过将hC1/hC1//mWT/mWT小鼠与C57BL/6(J)小鼠杂交获得。上述常染色体显性遗传性视网膜色素变性（adRP）模型均建立在C57BL/6(J)遗传背景上。此外，还使用了一种在小鼠RHO基因敲除背景下纯合携带两个人源野生型RHO基因拷贝的小鼠模型28,29。该品系建立在129Sv遗传背景上。当该品系与129Sv背景的小鼠RHO基因敲除小鼠杂交时，可在小鼠RHO基因背景下获得单剂量的人源RHO基因。</li>
	<li>根据实验设计的相关条件饲养动物。 
	注意：动物饲养于美国退伍军人事务部纽约西部医疗保健系统（VA WNY HCS）的兽医医疗单元（VMU）中。小鼠饲喂标准实验室饲料，在12小时光照：12小时黑暗循环条件下培养，顶部使用柔和的荧光白光照明，笼具水平照度约为300 lux，环境温度约为72 ˚F。</li>
</ol>
2. 小鼠眼部凝胶
<ol>
	<li>准备用于视网膜成像30和手术操作的光学凝胶。</li>
	<li>将2 mg/mL（w/v）高分子量（4 × 106 g/mol）卡波姆溶于无菌1×磷酸盐缓冲液（PBS）中。</li>
	<li>室温下搅拌至形成黏稠、光学透明的凝胶。</li>
	<li>将凝胶转移至小型无菌瓶中，并在摆动式台式离心机中以350 × g离心，以去除截留的气泡。</li>
	<li>将凝胶直接涂抹于角膜表面，以在小鼠角膜与优质盖玻片（18 mm × 18 mm）之间形成界面。</li>
</ol>
3. HR-SD-OCT 成像
<ol>
	<li>参见 HR-SD-OCT 设备（图 1）。</li>
	<li>称量动物体重以确定合适的麻醉剂剂量。然后通过腹腔注射（IP）给予每克体重 25 µL 的 2.5% 缓冲三溴乙醇（Avertin）溶液对小鼠进行麻醉&#160;via&#160;，并在动物固定后滴加眼药水以散大瞳孔。</li>
	<li>通过夹捏脚趾确认动物已完全麻醉，并确保其无反应。</li>
	<li>修剪胡须后将小鼠放置于 HR-SD-OCT 成像平台（sled）上。</li>
	<li>将小鼠眼睛正对物镜，并调节载物台控制装置，直至角膜和虹膜清晰可见。通过滴加人工泪液保持角膜湿润。 
	注意： HR-SD-OCT 成像平台上的精细调节微操纵器用于调整小鼠位置，使瞳孔孔径居中并对准方向。随后推进光学头组件，直至视网膜可见，并进一步调整动物位置以获得最佳图像。</li>
	<li>首先打开“Mouse”软件程序，点击“patient/exam”；其次点击“add patient”，在新患者窗口中输入用于识别该动物的相关信息，然后点击“save and Exit”；第三步点击“add exam”，随后点击“start exam”；第四步点击“add custom scan”，选择“rectangular volume”，选择正在成像的眼睛（OD 或 OS），然后点击“add exam”。最后开始调整仪器并对准动物以获取目标区域。在找到正确区域后，图像采集前使用无菌棉签轻轻去除眼表多余液体以进一步提高图像质量，然后点击“start snapshot”；若获得良好图像，则点击“save scan”。 
	注意： 矩形 HR-SD-OCT 图像的典型参数为每 B 扫描包含 900 条 A 扫描，每幅图像包含 90 个 B 扫描。所采集图像大小为 1.4 mm × 1.4 mm。成像的视网膜区域取决于具体实验设计，但大多数图像以视神经乳头（ONH）为中心。</li>
</ol>
4. 评估模型外层视网膜变性的存在、进展速率及均一性
<ol>
	<li>采用高分辨率谱域光学相干断层扫描评估外层视网膜变性模型
	<ol>
		<li>获取对照组和实验组动物时，应涵盖较宽年龄范围，以评估外层视网膜变性的存在、进展速率及均一性。</li>
		<li>对两个队列（疾病组与正常组）中每个年龄阶段的多只动物进行 HR-SD-OCT 成像。采用 3.1.6 节所述方法获取 OCT 图像。 
		注意： 可一次性从大量动物群体中收集数据，这些动物的出生日期分布在较长时间段内（1年）；也可使用小规模动物群体，在长时间段内（1年）多次采集图像，以获得类似结果。</li>
		<li>打开一个已记录的HR-SD-OCT矩形体积图像，从图像序列中确定首个需测量的B扫描图像（理想情况下应包含视神经乳头或其他可识别的解剖标志）。使用软件中的缩放功能将图像放大至充满整个屏幕。</li>
		<li>通过右键点击 b 扫描图像，然后点击以打开所需数量的卡尺 &#34;游标卡尺&#34; 最后点击任意数量的卡尺（编号为1至10）。确保卡尺显示在图像右下角。使用 &#34;配置 Caliper&#34; 特征，将它们全部指定为 &#34;垂直&#34; 在角度块列中并打开 &#34;显示卡尺位置&#34; 以实现视网膜上均匀的定位，最后点击应用。 
		注意： 1st 处理右眼（oculus dexter，OD）时，游标应置于图像左侧，且1st 处理左眼（OS）图像时，应将卡尺置于图像右侧。这样在绘图时，左右眼的数据均呈现从鼻侧到颞侧的方向。</li>
		<li>使用鼠标将每个卡尺移动至 b 扫描图像上相距 2.0 mm 的目标位置，对于包含视神经乳头的 b 扫描图像，需将其中一个卡尺置于视神经乳头中心（将此卡尺设为零）。然后使用鼠标点击并拖动卡尺，使其覆盖目标区域。对于未覆盖 b 扫描可测量区域的卡尺，可任意设为最大长度，并在数据分析时予以忽略。</li>
		<li>使用卡尺工具测量外核层（ONL）厚度，将卡尺的上端置于外界膜（ELM），下端置于外丛状层（OPL）的底部。在视网膜上每隔0.2 mm重复此测量。保存测量结果。</li>
		<li>在完成所有游标卡尺的放置并调整至合适尺寸后，右键单击图像并点击 &#34;保存卡尺数据&#34;.</li>
		<li>在后续的b扫描中重复测量（每隔10个）th 从同一矩形体积OCT图像（覆盖从下至上的整个视网膜区域）中进行扫描效果良好。游标应保持开启状态，并固定在X轴的相同位置。在不沿X方向移动游标的情况下，调整其长度。</li>
		<li>单击处理后的B扫描图像旁边的小文件图标以打开保存的数据文件，然后单击 &#34;前往数据&#34;. 点击 &#34;根据保存时间对文件进行排序，并打开每个测量的B扫描的所有文件。</li>
		<li>将每个b-scan的原始数据按帧编号从小到大顺序合并为单个文件。选择包含以下内容的数据列 &#34;卡尺名称&#34;, &#34;长度&#34;，以及 &#34;中心 X&#34;.</li>
		<li>确保每个处理的矩形体积OCT图像中所有b-scan的中心X坐标一致。删除未用于记录测量值的游标数据，并将位于视神经乳头中心的游标设置为零。</li>
		<li>将X与多组Y数据集绘制成图，以获得三维图函数，用于绘制外核层（ONL）或其他测量的视网膜层的总体厚度。</li>
		<li>比较同龄对照组与实验组动物的外核层（ONL）测量值，以确定任何潜在视网膜变性的速率和均匀性。</li>
		<li>对同一组B扫描图像，采用相同的方法进行OSL测量，仅将测量游标置于外界膜（ELM）与布鲁赫膜（Bruch's membrane, BM）之间。 
		注意： 测量卡尺放置方法的示例如 Representative Results 部分所示（图3B此操作应在放大图像上进行，以减少误差。</li>
		<li>对实验组和对照组中每个出生日期的多只动物重复进行数据分析。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>使用软件卡尺工具对ONL或OSL厚度进行全方位测量与三维定位映射
	<ol>
		<li>回顾注射后的OCT图像，记录视网膜中任何可识别的解剖标志，如视神经乳头（ONH）或视网膜血管。然后调整小鼠位置，确保在相同区域获取随访的SD-OCT图像，并包含相同的可识别解剖标志。 
		注意： 确保在注射后SD-OCT图像中识别出被成像且涉及视网膜脱离的视网膜区域。记录矩形体积SD-OCT图像并保存。</li>
		<li>按照上述步骤处理所记录的图像 4.1.3. 至 4.1.14. 保存卡尺数据并按上述方法绘制图表。 
		注意： 所得的外核层（ONL）测量值数组可用于生成显示ONL厚度的三维图。通过沿X轴调整游标的位置，可重新绘制图形，使视神经位于X轴的原点（0）处。Y轴以B扫描编号为基准进行绘制，并以视神经作为起始点，从而准确定位视神经在Y轴上的原点位置。在每组数据中识别视神经，可确保后续图像的可靠对齐。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>将注射位点的范围映射到眼底图像上
	<ol>
		<li>注射后进行矩形体积OCT扫描以确认注射是否成功。遵循以下所述方法 3.6.</li>
		<li>使用软件中的卡尺功能，通过覆盖整个OCT图像的多个B扫描来识别脱离视网膜边界的拐点。采用前述方法打开卡尺 4.1.4.</li>
		<li>记录眼底图像，并标注OCT B扫描的位置以及眼底图像上对应的游标位置，二者位置相对应。</li>
		<li>将所有眼底图像连同卡尺位置合并成一幅组合图像，从而在眼底图像上精确绘制出注射位点的地图（示例见代表性结果部分）。 图5A).</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
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。
<ol>
	<li>制备玻璃注射针
	<ol>
		<li>将带钨丝的毛细管分小批进行干热灭菌。</li>
		<li>使用拉针仪并设置程序，以制备尖端角度最锐利、直径在2-5范围内的玻璃针尖 &#181;m 
		注意： 一种在我们的移液管拉制仪上制备出高效针头的五步程序示例如下所示 表1.</li>
		<li>将拉制的玻璃针置于室温下的无菌移液器针头瓶中保存。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>用所需的注射溶液填充注射针
	<ol>
		<li>将针头安装到针持中，留出约5/8&#34; 突出于持针器末端之外。 
		注意： 小于 5/8 的距离&#34; 会使注射溶液难以进入针头，因为针头夹具无法顺利插入0.2 mL管的开口。此外，若针头伸出长度超过5/8&#34; 导致针尖出现明显更大的振荡或进动，使得在尝试穿刺眼球时针尖离开焦平面或视野（FOV），从而难以实现实时成像。</li>
		<li>在无菌的0.2 mL离心管中配制注射溶液。向注射溶液中加入无菌荧光素硫酸盐（10 mg/mL溶于1×PBS）的1:10稀释液，使荧光素的终浓度为1 mg/mL。 
		注意： 所使用的染料具体种类由使用者决定，可选用任何在白光照射下对人眼无毒且可见的染料，以帮助精确地将针尖置于视网膜色素上皮层（RPE）及视网膜下腔水平。</li>
		<li>通过体视显微镜观察针头，同时使用三轴显微操作仪的控制旋钮调整针头位置，使其与装有注射溶液的管子中心对齐，该溶液将用于填充针头。</li>
		<li>小心地将针尖插入0.2 mL离心管中，直至针尖完全浸入液体内。吸取所需体积的注射液。例如 1 &#181;L）注入针头以完成单次注射。将剩余溶液保留在置于冰上的试管中。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>准备动物以进行注射 
	注意： RIS 显微镜保持清洁，为非接触式系统。加热板覆盖有洁净的吸水垫，针头在拉制前需经过高压灭菌。针头由可自灭菌的加热金属条拉制而成，完成后保存于专用于存放拉制玻璃针头的密闭无菌腔室中。操作针头时仅使用戴手套的手，安装至针头夹持器时需小心避免触碰针尖。注射溶液采用无菌技术配制，并通过取病毒制剂样品划线接种于LB琼脂平板、37℃过夜培养的方式检测污染情况。 &#730;C.
	<ol>
		<li>称量动物体重（g）以确定麻醉镇痛剂的适当剂量。</li>
		<li>注射麻醉剂（2.5% 缓冲三溴乙醇（Avertin）溶液） 通过 腹腔注射（IP）</li>
		<li>立即使用抗胆碱能药物（例如， 环戊醇酯双侧滴眼以散瞳。</li>
		<li>修剪动物的胡须，并使用耳标打孔或其他方法对动物进行编号。</li>
		<li>用稀释的聚维酮碘清洗眼睛及周围区域。 
		注意： 避免让任何溶液接触到鼻子周围，以免造成意外溺水。</li>
		<li>将小鼠置于维持在39℃的加热垫上 &#730;C，将小鼠置于预先成型的模型黏土固定装置中，使待注射眼朝向针头。</li>
		<li>通过捏压后肢足部进行测试，确保小鼠无反应。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>进行视网膜下注射
	<ol>
		<li>使用一对无菌钝头虹膜镊，将镊尖置于眼睑的7点和10点位置，同时向下推开并施加轻柔压力，以轻柔诱导眼球突出。</li>
		<li>使用镊子将眼睑拨至眼球下方，以在注射过程中使眼球保持在眼窝外。 
		注意： 10至14日龄的动物通常比年龄较大的动物更容易将眼球保持在眼眶外。</li>
		<li>将针尖指向角膜缘下方约1-1.5 mm处，小心地通过结膜刺入眼球，直至针头进入巩膜组织并形成巩膜压痕，从而实现对眼球的操控。</li>
		<li>使用显微操作器将眼球向下旋转，通过RIS体视显微镜经散大的瞳孔观察巩膜压迹。</li>
		<li>滴加一滴无菌眼用凝胶或1×PBS溶液，并覆盖无菌盖玻片。</li>
		<li>聚焦于针尖产生的巩膜压迹（2-5 &#181;微米），并将针头向前推进，直至注射部位的视网膜形成一个尖锐的峰状突起。</li>
		<li>使用持针器旋转针头，直至针尖穿透巩膜，且针内的荧光素在视网膜色素上皮细胞单层附近的视网膜下区域可见。</li>
		<li>将针尖推进至与眼球表面相切的位置，然后用脚踏开关启动注射泵。</li>
		<li>在输送完所需体积（0.5–1 μL）后 &#181;将液体注入视网膜下腔后，撤出针头并检查隆起是否稳定，且液体未从注射部位渗漏，这是判断注射是否成功的首要标准。 
		注意： 保持适当的针尖直径（2-5 &#181;直径至关重要，以避免注射部位发生泄漏。</li>
		<li>将动物放置在OCT仪器的成像平台上。按照HR-SD OCT成像的操作说明，采集矩形体积图像。</li>
		<li>确认注入的液体位于视网膜下腔，并保存图像以确定隆起范围。</li>
		<li>将动物从固定装置中取出，并在注射过的双眼上涂抹足量的抗生素软膏。</li>
		<li>将动物放置于加热垫上直至完全恢复，然后将其放回原来的笼子中。 
		注意： 我们的动物通常在断奶前进行注射，因此需要将其放回母鼠所在的笼子中。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>使用OCT仪器软件工具绘制视网膜下隆起范围
	<ol>
		<li>使用前述方法获取囊泡的矩形体积OCT图像，并调整其位置以包含眼内可识别的解剖标志，例如视神经乳头（ONH）。 
		注意： 记录90个b-scan对于绘制隆起区域的图谱效果良好，但可根据所需的分辨率进行调整。</li>
		<li>在图像上添加一个单卡尺，并将其置于视网膜从视网膜色素上皮层（RPE）和脉络膜分离的拐点处。 
		注意： 软件会自动将对应点映射到眼底图像上，以表示正在评估的卡尺和B扫描。</li>
		<li>放置游标后捕获屏幕图像，并将图像进行整合，以有效将注射隆起区域的边界映射到眼底图像上，从而精确定位注射部位。保存整合后的图像以供参考，便于在后续成像过程中定位感兴趣区域。 
		注意： 或者，可采用与绘制外核层（ONL）厚度三维数据集类似的方法，对游标卡尺数据进行保存、整理和绘图。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>玻璃体内注射
	<ol>
		<li>采用与视网膜下注射类似的手术方法放置针尖，但需将针头完全穿透巩膜 睫状体平坦部 距角膜缘约0.25 mm处进入玻璃体。</li>
		<li>针头定位后，使用脚踏板进行注射脉冲。 
		注意： 观察到荧光素染料在眼杯玻璃体中迅速扩散，使扩大的瞳孔区域充满荧光。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

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<li>Johnson, C. J., Berglin, L., Chrenek, M. A., Redmond, T. M., Boatright, J. H., Nickerson, J. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Technical+brief%3A+subretinal+injection+and+electroporation+into+adult+mouse+eyes%5BTitle%5D)+AND+%22Mol.+Vis%22%5BJournal%5D)">Technical brief: subretinal injection and electroporation into adult mouse eyes.</a> Mol. Vis. 14, 2211-2226 (2008).</li>
<li>Sullivan, J. M., Yau, E. H., Taggart, R. T., Butler, M. C., Kolniak, T. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Bottlenecks+in+development+of+therapeutic+post-transcriptional+gene+silencing+agents%5BTitle%5D)+AND+%22Vision+Res%22%5BJournal%5D)">Bottlenecks in development of therapeutic post-transcriptional gene silencing agents.</a> Vision Res. 48, 453-469 (2008).</li>
</ol>

利益关系：MCB：无；JMS：无。本研究中使用的视网膜成像系统（RIS）23&#160;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。

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）。...

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。

<table><tbody><tr><td>C57BL6 (J)</td><td>杰克逊实验室</td><td>664</td><td></td></tr><tr><td>N129R-</td><td>不适用</td><td>不适用</td><td></td></tr><tr><td>2HRho 1T/1T</td><td>不适用</td><td>不适用</td><td></td></tr><tr><td>Envisu R-2200 眼科光学相干断层扫描仪 (OCT)</td><td>Bioptigen</td><td>90-R2200-U1-120.&amp;nbsp;&amp;nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>视网膜成像系统 (RIS)</td><td>本单位自制</td><td>不适用</td><td></td></tr><tr><td>Stemi 2000C 显微镜</td><td>蔡司</td><td>000000-1106-133</td><td></td></tr><tr><td>P-97 Flaming/Brown 微量移液器拉制仪</td><td>Sutter Instrument Co</td><td>p-97</td><td></td></tr><tr><td>MMN-33 微型操作器&amp;nbsp;</td><td>Narishige USA</td><td>MMN-33</td><td></td></tr><tr><td>PLI-100&amp;nbsp; 微量注射器</td><td>哈佛仪器公司</td><td>64-1736</td><td></td></tr><tr><td>微量移液器支架（旋转式）</td><td>本单位自制</td><td>不适用</td><td></td></tr><tr><td>微量移液器储存容器</td><td>世界精密仪器公司</td><td>E210</td><td></td></tr><tr><td>&amp;nbsp;硼硅酸盐玻璃毛细管 1.5-1.8 X 100mm&amp;nbsp;</td><td>哈佛仪器公司</td><td>30-0053</td><td></td></tr><tr><td>2,2,2-三溴乙醇</td><td>SIGMA Aldrich</td><td>T48402-25G</td><td></td></tr><tr><td>叔戊醇</td><td>SIGMA Aldrich</td><td>240486-100ML</td><td></td></tr><tr><td>硫酸阿托品眼用溶液，USP 1%</td><td>Akorn 公司</td><td>NDC 17478-215-05</td><td></td></tr><tr><td>Goniovisc</td><td>BioVision 有限公司</td><td>NDC 17238-610-15</td><td></td></tr><tr><td>盐酸环戊通眼用溶液，USP&amp;nbsp; 2%</td><td>Akorn 公司</td><td>NDC 17478-097-10</td><td></td></tr><tr><td>硫酸庆大霉素软膏 USP，0.1%</td><td>Perigo</td><td>NDC 45802-046-35</td><td></td></tr><tr><td>Systane Ultra</td><td>爱尔康实验室公司</td><td>9006619-1013</td><td></td></tr><tr><td>盐酸丁卡因</td><td>博士伦</td><td>NDC 24208-920-64</td><td></td></tr><tr><td>眼用溶液，USP 0.5%</td><td>博士伦</td><td>NDC 24208-920-64</td><td></td></tr><tr><td>DPBS</td><td>吉比科生命技术公司</td><td>14190-136</td><td></td></tr><tr><td>病毒制剂</td><td>ViGene /UNC</td><td>不适用</td><td></td></tr><tr><td>金纳米棒</td><td>NANOPARTz</td><td>D12M-850-1.75</td><td></td></tr><tr><td>荧光素硫酸盐 AK-FLUOR 25%</td><td>Akorn 公司</td><td>NDC 17478-250-20</td><td></td></tr><tr><td>盖玻片</td><td>费希尔科技公司</td><td>12-548-A</td><td></td></tr><tr><td>镊子</td><td>Milton</td><td>18-825</td><td></td></tr><tr><td>30 号针头</td><td>贝克顿·迪金森&amp;nbsp;&amp;nbsp;</td><td>W11604</td><td></td></tr><tr><td>注射器</td><td>贝克顿·迪金森&amp;nbsp;&amp;nbsp;</td><td>309659</td><td></td></tr><tr><td>Bioptigen 软件包</td><td>Bioptigen</td><td>不适用</td><td></td></tr><tr><td>盐酸丙帕他卡因眼用溶液，USP 0.5%</td><td>Akorn 公司</td><td>NDC 17478-263-12</td><td></td></tr><tr><td>Windows Excel</td><td>微软</td><td>不适用</td><td></td></tr><tr><td>Adobe Illustrator</td><td>Adobe&amp;nbsp;</td><td></td><td></td></tr><tr><td>天平</td><td>梅特勒</td><td></td><td></td></tr><tr><td>剪刀</td><td>世界精密仪器公司</td><td></td><td></td></tr><tr><td>耳标打孔器</td><td>Nat&amp;rsquo;l band</td><td></td><td></td></tr><tr><td>CL 100 光源</td><td>韦尔奇·艾伦</td><td>CL100</td><td></td></tr><tr><td>氮气</td><td>杰克逊焊接供应公司</td><td>不适用</td><td></td></tr><tr><td>加热水浴锅</td><td>Neslab</td><td>RTE-140</td><td></td></tr><tr><td>加热板</td><td>本单位自制</td><td>不适用</td><td></td></tr><tr><td>加热垫</td><td>辛辛那提 Sub Zero</td><td>273</td><td></td></tr><tr><td>黏土小鼠固定器</td><td>Plast.i.clay American Art Clay 公司</td><td>不适用</td><td></td></tr><tr><td>聚维酮碘</td><td>MedLine&amp;nbsp;</td><td>NDC53329-938-06</td><td></td></tr><tr><td>棉签</td><td>美国健康服务公司</td><td>Ctag</td><td></td></tr><tr><td>70% 乙醇</td><td>费希尔科技公司</td><td>BP2818-100</td><td></td></tr><tr><td>腈类手套</td><td>VWR</td><td>89038-272</td><td></td></tr><tr><td>Diagnosys ERG 彩色圆顶仪器</td><td>Diagnosys 公司</td><td>D125</td><td></td></tr><tr><td>隐形眼镜</td><td>本单位自制</td><td>不适用</td><td></td></tr><tr><td>Diagnosys 软件</td><td>Diagnosys 公司</td><td>不适用</td><td></td></tr><tr><td>Origin 6.1 软件</td><td>OriginLab 公司</td><td>不适用</td><td></td></tr><tr><td>参考电极</td><td>Ocuscience</td><td>F-螺纹电极 (DTL) 24&amp;rdquo;</td><td></td></tr></tbody></table>

超高分辨率小鼠光学相干断层扫描技术在视网膜基因治疗研究中辅助眼内注射

Ultrahigh Resolution Mouse Optical Coherence Tomography to Aid Intraocular Injection in Retinal Gene Therapy Research

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。

评估模型外层视网膜变性的存在性、发生速率及均一性 
使用仪器软件提供的卡尺工具，从外丛状层（OPL）到外界膜（ELM）测量外核层（ONL）的厚度，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)小鼠以及表达两份突变人源视杆细胞视紫红质（RHOP347S）基因的hC1/hC1//mWT/mWT小鼠模型的可比图像显示，前者呈现正常视网膜结构，而后者则表现出严重且快速进展的视网膜变性特征。3周龄的adRP（hC1 × BL/6(J)）动物仅携带一份突变人源RHOP347S基因和两份小鼠野生型RHO基因，其ONL厚度接近正常。然而，在10周和37周时进行的随访性高分辨率谱域光学相干断层扫描（HR-SD-OCT）显示，视网膜变性在时间上呈进行性发展，在空间上具有高度均一性，导致在此期间约60%的光感受器细胞丢失，表现为ONL显著变薄。在hC1 × B...

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 用于监测活体小鼠模型中光感受器变性的进展，并评估治疗剂向……的递送情况

本项视网膜下注射操作的总体目标是以微创且可重复的方式将载体递送至视网膜，并实现对过程的实时观察。该方法可用于回答基因治疗研究中的关键问题，例如载体递送效率以及治疗剂的毒性。该技术的一些优势包括对视网膜及其他眼部结构造成的损伤最小、可精确定位注射位点，以及能够进行严格的体内定量测量，从而支持可靠的统计推断。进行眼内转基因注射时，首先将麻醉后的小鼠置于视网膜成像系统显微镜的观察台上，将无菌钝头虹膜镊的尖端置于眼睑的7点和10点位置，同时将镊子张开并向下推，轻柔地诱导眼球突出。使用镊子将眼睑引导至眼球下方，并将针头尖端对准角膜缘边缘下方约1至1.5毫米处。接着，在眼球表面滴加一滴无菌PBS溶液，并用无菌盖玻片覆盖眼球。小心地将针头经结膜刺入眼内，直至巩膜出现凹陷。使用显微操作器将眼球向上旋转，直至巩膜凹陷处于焦点位置，然后向前推进针头，使针尖在视网膜上形成一个明显的尖峰。用持针器轻微旋转针头，直至针尖穿透巩膜和视网膜色素上皮层（RPE），使针尖内的荧光素在视网膜组织下方、紧邻视网膜下腔及视网膜色素上皮细胞单层处可见。将针尖向下推进，使其与眼球表面相切，然后用脚踏开关启动注射泵。当0.5至1微升的转基因溶液被注入视网膜下腔后，撤出针头，并确认血液稳定且注射通道无液体渗出。为确认注射是否成功，记录矩形体积的光学相干断层扫描（OCT）图像，并将图像与不同类型可能注射结果的图像进行比较。确认注射位置正确后，使用该矩形OCT图像将隆起范围映射到眼底图像上。为了映射视网膜下隆起的范围，打开包含眼内可识别解剖标志的隆起区域的矩形体积OCT图像。根据需要添加多个卡尺，以确定B扫描左右边缘的位置，以及视神经乳头（ONH，若存在）和视网膜从视网膜色素上皮层（RPE）及脉络膜分离处的拐点位置，然后保存数据。然后整合保存的文件并绘制数据，从而将注射隆起区域有效映射到 en face OCT 图像上。将绘制的数据叠加至包含注射部位的眼底图像，并保存合并后的图像。在后续的 OCT 成像过程中，利用该图像定位感兴趣区域。为了评估注射后视网膜变性，首先打开已记录的高分辨率谱域光学相干断层扫描（HRSD OCT）矩形体积图像，并选择一个待测量的B扫描图像。放大所选图像直至其充满屏幕，然后右键单击该图像。点击“卡尺”工具以选择适当数量的卡尺，接着使用“配置卡尺”功能，在角度块列中将卡尺设置为垂直方向，并开启“显示卡尺位置”功能，以便在整个视网膜范围内实现卡尺位置的一致性放置。单击“应用”，然后将每个卡尺移动到B扫描图像上适当的位置，各卡尺之间相距0.1至0.2毫米，必要时将其中一个卡尺置于视盘中心。当所有卡尺放置完毕后，单击并拖动每个卡尺，使其覆盖目标区域的长度范围；对于未覆盖B扫描中可测量区域的卡尺，可将其任意设置为最大长度。为测量外界膜层厚度，需将每个卡尺的顶部置于外界膜，底部置于外丛状层底部，并沿视网膜以0.1至0.2毫米的间隔进行测量。在放置并调整好所有卡尺后，右键单击图像，然后点击“保存卡尺数据”；接着按照上述方法，每隔十个B扫描重复一次测量，保持卡尺处于打开状态且在x轴上的位置不变，并根据需要调整卡尺长度，但不得在x方向上移动卡尺。当所有扫描图像均完成测量后，打开已保存的数据文件，点击“修改日期”以按保存时间顺序排列文件。依次打开每个已测量B扫描对应的数据文件，将各B扫描的原始数据按帧编号从低到高整合到一个单独的文件中，并选中包含卡尺名称、长度以及中心X坐标的数据列。确保在处理每个矩形体积OCT图像时，所有B扫描的中心X坐标保持一致，并删除未用于记录测量值的游标数据。将位于视盘中心的游标设为零，绘制X与多个Y数据集的关系图，以获得外核层或其他任何测量视网膜层厚度的三维图函数。然后比较相同年龄的对照组与实验组动物之间的外核层测量值，以确定任何潜在视网膜变性的速率和均匀性。为了对视网膜测量结果进行三维定位，需回顾注射后的OCT图像，并记录任何可识别的解剖标志，随后调整动物位置，对同一区域获取随访的SDOCT图像，注意包含相同的可识别标志，并按前述方法处理所记录的图像。获取包含可识别解剖标志的高质量OCT图像至关重要，这有助于重新成像先前注射的视网膜区域。为了测量外界节段（OS）长度的变化，测量游标从外界膜（external limiting membrane）延伸至布鲁克斯膜（Brooks membrane），由于这些层次在OCT图像中易于识别，因此可实现可靠的测量。不同小鼠品系间各层测量值的差异归因于外节段长度较短。若成功完成视网膜下注射，视网膜下腔的开放会诱导形成一个清晰可见的隆起，在HRSD OCT成像仪的俯视图和B扫描图像中均可明确观察到。叠加注射部位的边界图，可对视网膜组织测量数据和游标位置数据集进行分割，从而进一步对特定治疗药物对视网膜变性的影响进行统计学分析。一旦掌握，若操作得当，该技术可在十分钟内完成。在实施该手术过程中，重要的是始终牢记保持手术环境的清洁与无菌。该技术在建立后，为基因治疗领域的研究人员实现实时监测整个视网膜下注射手术过程提供了可能，并创建了一种在活体中立即判定手术成功与否的方法。完成此注射操作后，可进一步采用光学相干断层扫描（OCT）及其他方法（如视网膜电图）来探究转基因功能挽救和/或毒性的相关问题。观看本视频后，您应掌握经巩膜和经脉络膜的视网膜下注射操作方法，学会如何根据图像将注射隆起范围对应至OCT图像，并对视网膜外层进行精确测量。请务必注意，操作基因治疗载体可能存在生物危害，因此在执行该操作时，必须采取适当防护措施，例如穿戴合适的个人防护装备。

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