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Research Article
David A. X. Nayagam1,2,3, Ceara McGowan1, Joel Villalobos1, Richard A. Williams2,3, Cesar Salinas-LaRosa2,3, Penny McKelvie2,3, Irene Lo2,3, Meri Basa2,3, Justin Tan1, Chris E. Williams1,3,4
1Bionics Institute, 2Department of Anatomical Pathology,St Vincent's Hospital Melbourne, 3Department of Pathology,University of Melbourne, 4Medical Bionics Department,University of Melbourne
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Erratum Notice
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Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
Techniken zur Visualisierung von retinalen Zytoarchitektur direkt an einzelnen Elektroden innerhalb eines Retina-Stimulator.
Mit der jüngsten Entwicklung von Retina-Prothesen, ist es wichtig, zuverlässige Techniken für die Beurteilung der Sicherheit dieser Geräte in präklinischen Studien zu entwickeln. Allerdings sind die Standard-Fixierung, Vorbereitung und automatisierte Histologie Verfahren nicht ideal. Hier beschreiben wir neue Verfahren für die Bewertung der Gesundheit der Retina direkt benachbart zu einem Implantat. Retinal Prothesen verfügen Elektroden-Arrays in Kontakt mit Auge Gewebe. Bisherige Verfahren waren nicht in der Lage, räumlich zu lokalisieren Augengewebe benachbarten einzelnen Elektroden in der Anordnung. Darüber hinaus Standard histologischen Verarbeitung oft zu grob artifactual Ablösung der Netzhaut Schichten bei der Beurteilung implantierten Augen. Folglich ist es schwierig gewesen, um lokalisierte Schadens, falls vorhanden, die durch Implantation und Stimulierung einer implantierten Elektrodenanordnung. Daher entwickelten wir ein Verfahren zur Identifizierung und Lokalisierung der Okulargewebe neben implantiert electrodes mit einem (farblich gekennzeichnet) Farbstoff Benotungsschema und modifizierten wir ein Auge Fixationstechnik zu artifactual Netzhautablösung minimieren. Auch dieses Verfahren machte die Sklera durchscheinend, so dass Lokalisierung von einzelnen Elektroden und bestimmte Teile eines Implantats. Schließlich haben wir eine angepasste Steuerung, um die Macht der histopathologischen Bewertungen zu erhöhen. Zusammenfassend ermöglicht dieses Verfahren eine zuverlässige und effiziente Diskriminierung und Auswertung der retinalen Cytoarchitektur in einem implantierten Auge.
Retinal Prothesen könnten bald nützliche klinische Interventionen werden zur Behandlung von verschiedenen Formen der schweren Sehverlust. Bestimmte Bedingungen, wie Retinitis pigmentosa (RP), Ergebnis in der weitverbreiteten Degeneration der Photorezeptoren im Auge, das sind die Zellen, die zur Umwandlung von Licht in neuronale Signale. Jedoch bleiben einige Zellen in anderen Schichten der Netzhaut und sind potentielle Ziele für die elektrische Stimulation mit einem Netzhautprothese 1. Erste Ergebnisse von klinischen Studien am Menschen haben für Elektroden-Arrays im epiretinalen 2,3, 4,5 subretinalen implantiert und intraskleralen 6 Standorten waren vielversprechend. Diese Geräte sind aus verschiedenen Materialien mit unterschiedlichen Formen, aber sie alle verwenden elektrische Impulse, um die restlichen lebensfähigen Neuronen der Netzhaut zu aktivieren, um visuelle Wahrnehmungen zu erstellen.
Unsere größeren Gruppe (Bionic Vision Australia) hat ein Retina-Implantat, das progres entwickelt hatsed zu einer klinischen Pilotstudie mit 3 RP-Patienten mit suprachoroidalen Elektroden-Arrays (Clinical Trial Number: NCT01603576) implantiert. 1A zeigt diese suprachoroidalen Prototyp Netzhautprothese.
Patientensicherheit ist von größter Bedeutung in klinischen Studien und damit vor Beginn der Studien am Menschen, wir umfangreiche akuten und chronischen Tests durchgeführt in präklinischen Modellen (Abbildung 1B). Histopathologische Einschätzungen waren unerlässlich, um die chirurgischen Verfahren zu verfeinern, durchlaufen Elektroden-Konstruktion und letztlich zu etablieren, die Sicherheit des Implantats. Um einen effizienten Workflow mit üblichen klinischen Pathologie Praktiken verzahnt halten, wurde eine Einbettung in Paraffin-Technik eingesetzt. Es war auch wünschenswert, Färbeprozeduren vergleichbar mit klinischen Standards wie Hämatoxylin und Eosin (H & E), die leicht von den Pathologen interpretiert nutzen. Wir wollten auch eine Technik, die für immunhistochemische Analysen angepasst werden könnte, inum weiter zu erleichtern zellulären Auswertung der Gewebe.
Die Biokompatibilität des Implantats Materialien und die Sicherheit der chronischen elektrischen Stimulation, müssen sorgfältig geprüft werden. Es ist wichtig, in der Lage, die Histopathologie von dem Augengewebe benachbart zu den einzelnen stimulierenden Elektroden in der Anordnung zu prüfen. Jedoch benötigt die Arrays vor der Bearbeitung der Proben, so dass sie getestet werden kann entfernt werden, und weil ihre Metallkomponenten nicht leicht geschnitten. Folglich hat unsere etablierten Gewebeaufbereitung nicht zulassen Lokalisierung und Abbildung von Gewebe in Bezug auf den implantierten Elektroden 7. Neben dem Fehlen einer Gewebelokalisierung Verfahren führte die Standard-Formaldehyd-Basis Fixierung und Verarbeitungstechniken verbreitet Artefakte und Ablösung der Netzhaut durch die unterschiedliche Schrumpfung der verschiedenen Schichten des Auges (Abbildung 2). Aufgrund der Inhomogenität ter Netzhaut, war es schwierig, einen sinnvollen Vergleich mit Kontrollgewebe machen, besonders für quantitative Messungen. Diese kombinierten Einschränkungen erschwert eine genaue Beurteilung des potenziellen Schadens durch unsere implantiert Arrays verursacht.
Hier präsentieren wir neue Techniken zur Überwindung dieser Grenzen. Wir haben modifiziert spezialisierte Augenfixierung und Verarbeitungstechniken 8-10, um die Kompatibilität mit Paraffin-Basis Histologie halten. Wir haben Standard-histologische und immunhistochemische Färbungen modifiziert werden, um vergleichbare Ergebnisse zu geben, basierend auf dem Feedback aus der klinischen Pathologen. Nach dem Rendern der Skleralgewebe transluzent wurde ein Farbstoff-Farben-Code verwendet, um das Augengewebe benachbart zu jeder einzelnen Elektrode zu markieren, bevor die Anordnung aus dem Suprachoroidalraum. Durch Markieren des Elektroden-Array und die einzelnen Elektrode Websites könnten Proben genau von der Elektrode angrenzenden Regionen gesammelt werden. Abgestimmte Proben konnten von th gesammelt werdene Kontrolle Auge um paarweisen Vergleiche zu erleichtern.
1. Enukleation und Post-Fixation
Dieses Protokoll setzt voraus, dass das Thema wurde einseitig mit einem suprachoroidalen Elektroden-Array implantiert.
Intakte und Druck Auge Globen haben auf diese Weise gelagert bis zu 3 Monaten ohne Beeinträchtigung der resultierenden Histologie.
2. Identifizierung und Tissue Mapping
Die oben Fixierung Protokoll (Schritt 1) hat die Lederhaut durchscheinend gerendert und das Array ist jetzt sichtbar - inklusive der einzelnen Elektrode Websites (Abbildung 3).
3. Dissection und Einbettung
Es ist sinnvoll, für die Zukunft, um einen Datensatz von dem Farbstoff Regionen vorhanden sind, auf jedem Streifen und ihre relativen Positionen (und Farben) zu machen.
4. Schneiden und Färben
Der Bereich unmittelbar benachbart zu jeder gefärbten Fleck Sklera kann nun mit Sicherheit, dass sie in nächster Nähe zu der entsprechenden Elektrode in der Anordnung (4) wurde bewertet.
Testproben und Kontrollproben sind bereit für paarweisen Vergleich.
Abbildung 4 zeigt einen repräsentativen Ausschnitt aus Schneiden der Probe in Abbildung 3 dargestellt erhalten. Der Abschnitt bei 5 um Dicke und gefärbt mit H & E, nach den Protokollen beschrieben geschnitten. Die Brutto-Form der Teststreifen wird mit minimalem Differential Gewebe Artefakte (4A) erhalten. Beide Farbstoff Markierungen sichtbar waren auf der Lederhaut, obwohl die grüne Farbstoff war widerstandsfähiger als der rote (4B). Die retinalen Schichten wurden nicht artifactually abgelöst und die Netzhautmorphologie wird beibehalten (4C). Das retinale Gewebe benachbart zu dem Farbstoff Markierungen, die die Position der Elektroden in der Anordnung entspricht, können leicht identifiziert werden.
Abbildung 5 zeigt repräsentative spezielle Färbung und Immunhistochemie von Gewebeschnitten, die gemäß dem aktuellen Protokoll. Siehe Abbildung 5 caption und ergänzende Materialien für weitere Einzelheiten über die spezifischen Flecken und den Änderungen an ihrer Nutzung. Post-Modifikation, diese Flecken und Immunhistochemie waren äquivalent zu etablierten Standards - wie von Pathologen überprüft.
| Art der primären Antikörper und Titer (in Klammern) | GFAP (1:1500) | NF200 (1:100) | GS (1:100) |
| Art des sekundären Antikörper-Titer und (in Klammern) | Alexa Fluor 594 | Alexa Fluor 488 | Alexa Fluor 488 |
| Dauer der Inkubation von sekundärem Antikörper | 1 Stunde | 2 Stunden | 45 min |
Tabelle 1. Antibody Typ, Titre und Dauer der Kennzeichnung.

Abbildung 1. Suprachoroidal Prototype Electrode Array. A) Makroaufnahme einer klinischen Grad geformten Array. B) Mikroskopische Aufnahme einer handgefertigten präklinischen Array.

Abbildung 2. Ehemalige Retinal Histologie. Norm histologischen Methoden wurden verwendet, um diese vorzubereiten, H & E-gefärbten, Abschnitte eines Auges mit einem suprachoroidalen Elektroden-Array implantiert. A) Eine orthogonale Schnitt durch das Elektroden-Array Hohlraum (dargestellt durch einen Stern). Die Retina ist von der äußeren Augengewebe getrennt. Dies wird besonders deutlich unterhalb des implantierten Bereichs (Pfeil). Es ist unmöglich zu bestimmen, welcher Teil der Retina benachbart zu jeder einzelnen Elektrode des Arrays. Scalebar = 1 mm. B) Eine höhere Vergrößerung des boxed Region in Panel A. Es gibt mehrere, regelmäßig angeordneten, Artefakte in der Netzhaut layers (Pfeile), sowie die wichtigsten Loslösung von der Tapetenzellen Schicht (die reflektierende Schicht in Katzenaugen). Scalebar = 100 um. C) Ein höherer Vergrößerung des boxed Region in Panel B. Pfeil angedeutet den äußeren Segmenten der Photorezeptoren sowie die pigmental Epithel, die intakt bleiben, was darauf hindeutet, dass die Ablösung ein Artefakt Nebeneffekt der Verarbeitung, um die durch eine in vivo Trauma oder Pathologie verursacht entgegengesetzt war. Scalebar = 20 um.

Abbildung 3. Lokalisierung und Präparation der Elektroden-benachbartes Gewebe. AD) Hoher Dynamikbereich Makroaufnahmen einer entkernten Auge, mit einem suprachoroidalen Elektroden-Array in situ. A) Beitrag mit Davidsons Fixativ fixiert und vor dem Array entfernt, ermöglicht die transluzente Lederhaut Visualisierungdie einzelnen Elektroden in der Anordnung (einziges Beispiel angegeben mit Pfeil). B) Die Elektroden sind mit einem vorgegebenen Farbstoff markiert. C) Dye Markierungen in regelmäßigen Abstand von anatomischen Landmarken verwendet werden, um Konsistenz zu erhalten über Experimente. D) Nach dem Entfernen der Array wird das Auge von Hand in Teststreifen seziert. Farbige Pfeile zeigen zwei der Elektrode benachbarten Stellen auf der Lederhaut. Gelb gestrichelte Linie zeigt Schnittebene. E) Makro-Fotografie von Teststreifen in einem Agar-Block. F eingebettet) Makro-Fotografie von der Agar-Embed-Teststreifen von Panel E, ausgeschnitten und in einem Einbettungskassette unterstützt durch Schaum Biopsie-Pads um eine Bewegung des Abschnitts während der Verarbeitung zu minimieren.

Abbildung 4. New Retinal Histologie. trong> Das oben Probestreifen (von 3D), die die Elektrode Tasche wurde in Paraffin eingebettet, geschnitten bei 5 um und gefärbt mit H & E A) grün und rot gefärbten Bereiche (angedeutet durch die Pfeile, wie Fig. 3D) sind in ein Schnitt auf der Ebene der gelben gestrichelte Linie in 3D gemacht. Maßstab bar = 1000 um. Die Netzhaut ist nicht gelöst, weder unter dem Array Tasche noch fern. B) Der boxed Region von Panel A mit sichtbaren roten und grünen Farbstoff durch Pfeile angedeutet, und intakte Netzhaut ganz. Maßstab bar = 500 um. C) Der boxed Region von Panel B, zeigt die intakte, befestigt, Netzhaut neben dem grünen Farbstoff. Maßstab bar = 50 um. Wissen, dass die Lage des Farbstoffes zeigt die Anordnung einer Elektrode können wir sicher beurteilen benachbarten Netzhautgewebes für Schäden, falls vorhanden, die durch elektrische Stimulation.

Autoren haben nichts zu offenbaren.
Techniken zur Visualisierung von retinalen Zytoarchitektur direkt an einzelnen Elektroden innerhalb eines Retina-Stimulator.
Die Autoren danken: Frau Alexia Saunders und Frau Michelle McPhedran für experimentelle Unterstützung, Frau Helen Feng für Elektrodenherstellung; Dr. Penny Allen und Dr. Jonathan Yeoh für chirurgische Hilfe, Mitarbeiter des Royal Victorian Eye and Ear Hospital Biological Forschungszentrum für Tierpflege; Prof. Rob Shepherd für die allgemeine Beratung während und Dr. Bryony Nayagam und Herr Ronald Leung für kritische Anmerkungen zu dem Entwurf einer Form des Manuskripts.
Diese Arbeit wurde am Institut Bionics und St. Vincent Hospital, Melbourne durchgeführt. Die Finanzierung wurde von der Ian Potter-Stiftung, den John T Reid Charitable Trusts, und dem Australian Research Council durch ihre spezielle Research Initiative in Bionic Vision Science and Technology Zuschuss zu Bionic Vision Australia (BVA) zur Verfügung gestellt. Die Bionik-Institut würdigt die Unterstützung, die sie von der Regierung von Victoria durch ihre betriebliche Infrastruktur Support Program.
| Das Davidson Markierungssystem | Bradley Produkte | 1163-4 - rot 1163-5 - blau 1163-2 - gelb 1163-1 - grün | |
| Kaninchen Polyklonaler Anti-Glia-Fibrillärer saurer Protein-Antikörper | Millipore | AB5804 1 | :1500, Inkubation über Nacht |
| Monoklonaler Anti-Glutamin-Synthetase-Antikörper Maus | Millipore | MAB302 | 1:100 Inkubation über Nacht |
| Monoklonaler Maus-Anti-Neurofilament 200-Antikörper | Sigma-Aldrich | N0142 | 1:100 Inkubation über Nacht |
| 4',6-Diamindino-2-phenylindole, Dilaktat (Dilaktat) | Life Technologies | D3571 | 1:25.000 30 min Inkubation |
| Alexa Fluor 488 Ziege Anti-Maus IgG | Life Technologies | A11029 | 1:500 |
| Superfrost 90°; gelb | Grale Scientific | SF41299 | |
| FLEX IHC Objektträger | DAKO | K802021-2 | |
| Alexa Fluor 594 Ziegen-Anti-Kaninchen IgG | Life Technologies | A11037 | 1:500 |
| Normales Ziegenserum | Life Technologies | PCN5000 | 10% Serum/0,1% Triton X-100/PBS |
| Nicht-Standard-Lösungsvorbereitung für spezielle Flecken 1% wässrige Cresylviolett-Stammlösung
Cresylviolet Acetate Working Solution
Biebrich Scharlach-Säure Fuchsin Lösung
Phosphomolybdic-Phosphtungssäure Lösung
Anilinblau-Lösung
Lösungen für die Immunhistochemie Waschpufferlösung
Serum-Blocklösung
SUPPLEMENTARY MATERIAL Luxol Fast Blue Der Zweck einer Luxol Fast Blue (LFB) Färbung bestand darin, die Ganglienzellen in der Ganglienzellschicht durch die Gegenfärbung von Cresylviolett zu identifizieren. Während LFB das Myelin färbt, bindet die Cresylviolett-Färbung an die Nissl-Substanzen in Neuronen, die aus dem rauen endoplasmatischen Retikulum und den Ribosomen bestehen. Zahlreiche Zellen in der Netzhaut enthalten Nissl-Substanz, darunter auch Amakrinzellen. Diese Zellen befinden sich in der Regel in der inneren Grenzschicht der inneren Kernschicht, aber verdrängte Amakrinzellen können in der Ganglienzellschicht gefunden werden. Die Färbung der Nissl-Substanz ist hilfreich bei der Unterscheidung von großen, stark gefärbten Ganglienzellen von kleineren verdrängten Amakrinzellen. Um die Visualisierung dieser Zellen zu erleichtern, modifizierten wir das Protokoll der Cresylviolett-Arbeitslösung, indem wir das Volumen der Kresylviolett-Stammlösung in der Arbeitslösung erhöhten. Wir haben das Volumen in 1,0-ml-Schritten von 6,0 ml auf 9,0 ml erhöht, was wiederum das Volumen des destillierten Wassers reduziert. Um die Leichtigkeit der Visualisierung und Identifizierung der Ganglienzellen zu beurteilen, wurde eine optimale Färbung mit 9 ml zusätzlicher Kresylviolett-Stammlösung und 51 ml destilliertem Wasser erreicht. Cresylviolett ist ein basischer Farbstoff, obwohl es zum Färben der Nissl-Substanz erforderlich ist, in einer sauren Lösung verwendet zu werden, und daher blieb das Volumen der Essigsäure unverändert bei 0,5 ml. Periodic Acid Schiff Die Färbung mit periodischer Säure Schiff (PAS) wurde durchgeführt, um hervorzuheben Polysaccharide, insbesondere Glykogen, die in Basalmembranen und Pilzzellwänden vorkommen und auf eine Pilzinfektion hinweisen. Der Prozess der PAS-Färbung besteht darin, die Hydroxylgruppen in Polysacchariden mit periodischer Säure zu oxidieren, wodurch Aldehydgruppen entstehen. Die Anwendung des Schiff-Reagenzes bindet an die Aldehydgruppen, wodurch eine magentafarbene Farbe entsteht, wobei Hämatoxylin-Gegenfärbung violette Zellkerne erzeugt. Unsere Objektträger zeigten eine schwache Färbung an der inneren Grenzmembran. Dies kann auf die vorhandenen Polysaccharide zurückzuführen sein, da nicht alle Polysaccharide in einem Standardzeitrahmen oxidiert werden können, insbesondere solche, die anionische Polysaccharide enthalten. Daher haben wir die Dauer des Oxidationsschritts von 10 min auf 12, 15 und 20 min erhöht. Wir fanden heraus, dass ein 15-minütiger Oxidationsschritt bei der PAS-Färbung am effektivsten war. Masson' s Trichrome Blue Das Prinzip der Masson'schen Trichromblau-Färbung besteht darin, Kollagen und Muskeln zu färben, was in unseren Netzhautpräparaten verwendet werden kann, um eine Zunahme des Kollagengewebes anzuzeigen, was auf eine Fibrose aufgrund einer Verletzung hinweisen kann. Dieser Fleck reagiert empfindlich auf Fixierungstechniken, so dass Änderungen erforderlich waren, um eine optimale Färbung zu erzielen. Der Prozess dieser Färbung besteht darin, das Zytoplasma und die Muskelfasern zunächst mit dem sauren Biebrich-Scharlachsäure-Fuchsinrot-Farbstoff rot zu färben. Die Differenzierung mit Phosphomolybd-/Phosphowolframsäure konkurriert mit dem roten Farbstoff in den Kollagenfasern. In der Sklera sind die großen Phosphomolybdic/Phosphotungssäure-Moleküle in der Lage, das lockere Bindegewebe zu durchdringen, im Gegensatz zu den dichten Muskelfasern, die nur für kleine Moleküle durchdringbar sind. Anschließend wird Anilinblau-Farbstoff aufgetragen, um die Säure in den Kollagenfasern zu ersetzen und blaugefärbte Sklera zu erzeugen. Um diese Färbung im Netzhautschnitt zu optimieren, wurde die Dauer der Färbung mit Biebrich-Scharlach-Fuchsin-Farbstoff verkürzt, um ein Gleichgewicht zwischen dem blauen und dem roten Farbstoff herzustellen. Die Verwendung von Davidsons Fixiermittel erforderte auch eine verlängerte Differenzierungszeit, um den roten Farbstoff aus dem Kollagen zu entfernen. Wir testeten die Differenzierung bei 5, 6, 8 und 10 Minuten, wobei optimale Ergebnisse bei 6 Minuten auftraten. Die Differenzierung variiert auch in Abhängigkeit von der Dicke und dem Schnitt glatter Schnitte, wobei möglicherweise eine Differenzierung von mehr als 6 Minuten erforderlich ist. Glial Fibrillary Acidic Protein (GFAP) Antikörper Polyklonal, Wirtsspezies ist Kaninchen, hat ein Molekulargewicht von 50 kDa. Das GFAP-Antigen ist ein intermediäres Filament, das im Zytoplasma (dem Zytoplasma von Astrozyten und Mü B. Zellen in der Netzhaut), wird das Antigen aus 428 Aminosäuren gebildet und hat ein Molekulargewicht von 49512 Da. Neurofilament-200 antibody Monoklonal, Wirtsspezies ist die Maus, Klon N52, Isotyp IgG1, erkennt er phosphorylierte und nicht-phosphorylierte Formen der schweren Neurofilamente, die ein Molekulargewicht von 200 kDa haben. Der Antikörper bindet an ein Epitop in der Schwanzdomäne des Neurofilaments. Der Antikörper färbt Neurofilamente in den neuronalen Perikaryen, Dendriten und Axonen. Glutamin-Synthetase (GS)-Antikörper Monoklonal, Klon GS-6, Wirtsspezies ist Maus, hat ein Molekulargewicht von 45 kDa und Antikörper-Isotyp IgG2a. Das GS-Antigen befindet sich im Zellzytoplasma (Zytoplasma von Mü B. Zellen in der Netzhaut), hat das Antigen 373 Aminosäuren und ein Molekulargewicht von 42.064 Da. | |||