इस प्रोटोकॉल न्यूरोट्रांसमीटर ग्लूटामेट के साथ इन विट्रो में wholemount चूहा रेटिना के रासायनिक neurostimulation के एक फार्म की जांच के लिए एक उपंयास विधि का वर्णन । रासायनिक neurostimulation photoreceptor अपक्षयी रोगों की वजह से अपरिवर्तनीय अंधापन के इलाज के लिए रेटिना न्यूरॉन्स के पारंपरिक विद्युत neurostimulation के लिए एक आशाजनक विकल्प है.
Photoreceptor अपक्षयी रोगों रेटिना में Photoreceptor कोशिकाओं के प्रगतिशील नुकसान के माध्यम से अपूरणीय अंधापन का कारण है । रेटिना कृत्रिम photoreceptor अपक्षयी रोगों है कि कृत्रिम रूप से रोगियों में सुबोध दृश्य धारणा को प्राप्त करने की आशा में जीवित रेटिना न्यूरॉन्स उत्तेजक द्वारा दृष्टि बहाल करने के लिए चाहते हैं के लिए एक उभरते उपचार कर रहे हैं. वर्तमान रेटिना कृत्रिम इलेक्ट्रोड की एक सरणी का उपयोग करने के लिए बिजली रेटिना को उत्तेजित लेकिन उच्च तीक्ष्णता, रोगियों के लिए प्राकृतिक दृष्टि बहाल करने में पर्याप्त शारीरिक बाधाओं का सामना करने के रोगियों के लिए सीमित दृष्टि बहाल करने में सफलता का प्रदर्शन किया है. रासायनिक neurostimulation देशी न्यूरोट्रांसमीटर का उपयोग कर विद्युत उत्तेजना के लिए एक biomimetic विकल्प है और बिजली neurostimulation का उपयोग रेटिना कृत्रिम के साथ जुड़े मौलिक सीमाओं बाईपास सकता है. विशेष रूप से, रासायनिक neurostimulation न्यूरोट्रांसमीटर के बहुत कम मात्रा में इंजेक्शन द्वारा रोगियों के लिए तुलनीय या बेहतर दृश्य acuities के साथ और अधिक प्राकृतिक दृष्टि बहाल करने की क्षमता है, रेटिना द्वारा इस्तेमाल संचार के एक ही प्राकृतिक एजेंटों रासायनिक synapses, वर्तमान विद्युत कृत्रिम की तुलना में बहुत महीन संकल्प पर । हालांकि, एक अपेक्षाकृत बेरोज़गार उत्तेजना प्रतिमान के रूप में, वहां इन विट्रो मेंरेटिना की रासायनिक उत्तेजना को प्राप्त करने के लिए कोई प्रोटोकॉल की स्थापना की है । इस काम का उद्देश्य के लिए जांचकर्ताओं जो रेटिना या इसी तरह के तंत्रिका ऊतकों के रासायनिक neuromodulation की क्षमता का अध्ययन करना चाहते है के लिए रेटिना की रासायनिक उत्तेजना को पूरा करने के लिए एक विस्तृत रूपरेखा प्रदान करना है इन विट्रो। इस काम में, हम प्रयोगात्मक सेटअप और पद्धति का वर्णन प्रकाश में लाने के लिए रेटिना नाड़ीग्रंथि सेल (RGC) स्पाइक प्रतिक्रियाओं के समान दृश्य हल्की प्रतिक्रियाओं में जंगली-प्रकार और photoreceptor-पतित wholemount चूहे रेटिना का नियंत्रित मात्रा में इंजेक्शन द्वारा micropipettes ग्लास और एक कस्टम मल्टीपोर्ट microfluidic डिवाइस का उपयोग कर उपरेटिना अंतरिक्ष में न्यूरोट्रांसमीटर ग्लूटामेट. इस पद्धति और प्रोटोकॉल काफी सामांय है neuromodulation अंय न्यूरोट्रांसमीटर या यहां तक कि अंय तंत्रिका ऊतकों का उपयोग कर के लिए अनुकूलित किया जाना है ।
Photoreceptor अपक्षयी रोग, जैसे रेटनाइटिस पिगमेंटोसा और उम्र से संबंधित धब्बेदार अध-पतन, दृष्टि हानि के इनहेरिट करने योग्य कारणों में अग्रणी रहे हैं और वर्तमान में लाइलाज1,2हैं । हालांकि इन रोगों विशिष्ट आनुवंशिक उत्परिवर्तनों की एक किस्म से उठता है, photoreceptor अपक्षयी रोगों रेटिना में photoreceptor कोशिकाओं की प्रगतिशील हानि, जो अंततः अंधापन का कारण बनता है द्वारा एक समूह के रूप में विशेषता है । photoreceptors का नुकसान रेटिना भर में बड़े पैमाने पर remodeling चलाता है, लेकिन द्विध्रुवी कोशिकाओं और RGCs सहित रेटिना न्यूरॉन्स जीवित है, बरकरार है और अपेक्षाकृत भी photoreceptor अध3 के उन्नत चरणों में कार्यात्मक रहते हैं ,4,5,6,7.
तंत्र और इन रोगों के विकृतियों अच्छी तरह से किया गया है3,4,5,6,7 लेकिन एक प्रभावी उपचार मायावी बनी हुई है । पिछले तीन दशकों में, दुनिया भर में शोधकर्ताओं ने जीन थेरेपी सहित photoreceptor अपक्षयी रोगों के साथ प्रभावित लोगों के लिए दृष्टि बहाल करने के लिए चिकित्सीय उपचार की एक किस्म की जांच की है8, स्टेम सेल उपचार9, रेटिना ट्रांसप्लांटेशन10, और कृत्रिम उत्तेजना11,जीवित रेटिना न्यूरॉन्स के12 . इनमें से, सबसे नैदानिक उपलब्ध रेटिना कृत्रिम, जो कृत्रिम neurostimulation उपकरणों है कि परंपरागत रूप से इलेक्ट्रोड की एक सरणी का उपयोग किया है के लिए बिजली या तो द्विध्रुवी कोशिकाओं या के लक्ष्य के साथ विशिष्ट पैटर्न में RGCs उत्तेजित कर रहे है रोगियों में कृत्रिम दृश्य धारणाओं का निर्माण11. इस तरह के तर्क द्वितीय13 और अल्फा-आईएमएस14 उपकरणों के रूप में वर्तमान पीढ़ी के विद्युत कृत्रिम, नैदानिक अनुमोदन और प्रारंभिक अध्ययन हासिल किया है संकेत दिया है कि वे एक बहाल करके रोगियों के लिए जीवन की गुणवत्ता में सुधार कर सकते हैं दृष्टि का उपाय दोनों epiretinal (रेटिना के सामने) और (रेटिना के पीछे) रेटिना प्रत्यारोपित उपकरणों15,16का उपयोग कर । दुनिया भर में अनुसंधान समूहों इन पहली पीढ़ी के उपकरणों17,18,19,20 का सामना करना पड़ा है की सफलता से परे रेटिना कृत्रिम आगे बढ़ाने पर काम कर रहे हैं एक बिजली के रोगियों को कानूनी अंधापन स्तर से नीचे उच्च तीक्ष्णता दृष्टि बहाल करने में सक्षम अंग डिजाइन कठिनाइयों । हाल के अध्ययनों से पता चला है कि वर्तमान पीढ़ी विद्युत आधारित कृत्रिम द्वारा सक्षम है कि उच्च स्थानिक संकल्प प्राप्त करने के कारण चार्ज इंजेक्शन सीमा है, जो बड़े इलेक्ट्रोड का उपयोग करने के लिए सुरक्षित रूप से उत्तेजित आवश्यक के चुनौतीपूर्ण है स्थानिक संकल्प की कीमत पर रेटिना न्यूरॉन्स, अर्थात दृश्य तीक्ष्णता11,21. इसके अलावा, विद्युत उत्तेजना आगे सीमित है क्योंकि यह आम तौर पर सभी आसपास की कोशिकाओं को उत्तेजित करता है और इसलिए रोगियों में अप्राकृतिक और भ्रामक धारणाओं को पूरा करती है, काफी हद तक क्योंकि यह एक स्वाभाविक अप्राकृतिक उत्तेजना प्रतिमान21है । फिर भी, विद्युत उत्तेजना के प्रारंभिक सफलताओं का प्रदर्शन किया है कि कृत्रिम neurostimulation photoreceptor अपक्षयी रोगों के लिए एक प्रभावी उपचार हो सकता है । यह एक भी अधिक प्रभावी उपचार न्यूरोट्रांसमीटर रसायनों के साथ रेटिना उत्तेजक द्वारा प्राप्त हो सकता है कि एक परिकल्पना करने के लिए सुराग, रासायनिक synapses में संचार के प्राकृतिक एजेंटों. इस पत्र में प्रस्तुत विधि का उद्देश्य रासायनिक उत्तेजना की चिकित्सीय व्यवहार्यता का पता लगाना है, जो रेटिना न्यूरॉन्स के बीच synaptic संचार की प्राकृतिक प्रणाली की नकल करना चाहता है, विद्युत उत्तेजना के लिए एक biomimetic विकल्प के रूप में एक रेटिना अंग के लिए ।
एक रासायनिक रेटिना अंग करने के लिए चिकित्सीय रासायनिक उत्तेजना की अवधारणा का अनुवाद रासायनिक एक microfluidic के माध्यम से जारी किए गए ग्लूटामेट के रूप में देशी न्यूरोट्रांसमीटर की छोटी मात्रा, के साथ लक्ष्य रेटिना न्यूरॉन्स को सक्रिय करने पर निर्भर करता है युक्ति दृश्य उत्तेजना के जवाब में microports की एक बड़ी सरणी शामिल । इस तरह, एक रासायनिक रेटिना अंग अनिवार्य रूप से एक biomimetic कृत्रिम photoreceptor परत है कि अनुवाद फोटॉनों स्वाभाविक रूप से रासायनिक संकेतों के लिए रेटिना तक पहुँचने होगा. के बाद से इन रासायनिक संकेतों को एक ही न्यूरोट्रांसमीटर सामांय रेटिना में उपयोग संकेत और एक ही synaptic सामांय दृष्टि रास्ते द्वारा इस्तेमाल किया रास्ते के माध्यम से एक पतित रेटिना के जीवित रेटिना ंयूरॉंस को उत्तेजित का उपयोग करें, जिसके परिणामस्वरूप दृश्य धारणा एक रासायनिक रेटिना अंग के माध्यम से हासिल की एक बिजली अंग के माध्यम से पैदा की तुलना में अधिक प्राकृतिक और सुबोध हो सकता है । इसके अलावा, microports के माध्यम से जो न्यूरोट्रांसमीटर जारी कर रहे हैं के बाद से अत्यधिक छोटे और सरणी उच्च घनत्व में बनाया जा सकता है, इलेक्ट्रोड के विपरीत, एक संभावित रासायनिक कृत्रिम अधिक फोकल उत्तेजना और उच्च स्थानिक को प्राप्त करने में सक्षम हो सकता है एक विद्युत अंग से संकल्प । इस प्रकार, इन संभावित लाभों के आधार पर, एक रासायनिक रेटिना अंग विद्युत कृत्रिम के लिए एक अत्यधिक आशाजनक विकल्प प्रदान करता है ।
रेटिना की रासायनिक उत्तेजना, तथापि, गया है अपेक्षाकृत कम हाल ही में जब तक पता लगाया । जबकि रेटिना की बिजली की उत्तेजना अच्छी तरह से किया गया है के माध्यम से काम के दशकों में विशेषता इन विट्रो22,23, vivo में23,24, और नैदानिक अध्ययन13 ,14, रासायनिक उत्तेजना पर अध्ययन करने के लिए विशेष रूप से सीमित किया गया है कुछ इन विट्रो काम करता है25,26,27,28। Iezzi आणि Finlayson२६ आणि Inayat एट अल. 27 एक एकल इलेक्ट्रोड और एक multielectrode सरणी (विदेश मंत्रालय) का उपयोग कर इन विट्रो में रेटिना की epiretinal रासायनिक उत्तेजना का प्रदर्शन किया, क्रमशः, रेटिना न्यूरॉन्स के ग्लूटामेट पैदा प्रतिक्रियाओं को रिकॉर्ड करने के लिए. हाल ही में, Rountree एट अल । 28 के अंतर उत्तेजना का प्रदर्शन किया और रेटिना रास्ते पर रेटिना की ओर से ग्लूटामेट का उपयोग और एक मेे रेटिना पर कई साइटों से ंयूरॉन प्रतिक्रियाओं रिकॉर्ड करने के लिए ।हालांकि इन कार्यों preliminarily रासायनिक उत्तेजना की व्यवहार्यता की स्थापना की है, आगे के अध्ययन के लिए उन से परे इस दृष्टिकोण के कई पहलुओं की जांच आवश्यक है अब तक25,26,27 , 28, और ठीक धुन दोनों में इन विट्रो और vivo पशु मॉडल में उपचारात्मक उत्तेजना मापदंडों के रूप में एक रासायनिक रेटिना अंग करने के लिए इस अवधारणा का अनुवाद करने से पहले के रूप में ऊपर चर्चा की । तथापि, वर्तमान में साहित्य में रेटिना की रासायनिक उत्तेजना को पूरा करने के लिए कोई स्थापित पद्धति नहीं है और पिछले कार्यों में इस्तेमाल किए गए तरीकों को ऐसे विस्तार से नहीं बताया गया है जैसा कि नकलत्मक अध्ययन के लिए आवश्यक होगा. इसलिए, इस तरीके कागज के लिए तर्क के लिए एक अच्छी तरह से इन विट्रो में या तो हमारे पिछले अध्ययन की नकल में रुचि उन जांचकर्ताओं के लिए रेटिना की रासायनिक उत्तेजना के संचालन के लिए रूपरेखा प्रदान करने के लिए है27, 28 या आगे रासायनिक neurostimulation की इस नवजात अवधारणा को आगे बढ़ाने ।
यहां हम इन विट्रो में के संचालन के लिए एक विधि का प्रदर्शन wholemount रेटिना में रेटिना ंयूरॉंस की रासायनिक उत्तेजना जंगली प्रकार के चूहों और एक photoreceptor पतित चूहे मॉडल है कि बारीकी से photoreceptor अपक्षयी की प्रगति की नकल मनुष्यों में रोग । इन विट्रो मॉडल में इस उत्तेजना विधि के विकास के पीछे तर्क के लिए विभिंन उत्तेजना मानकों और अध्ययन तंत्रिका प्रतिक्रिया विशेषताओं के चिकित्सीय पर्वतमाला है कि असंभव है या में निरीक्षण मुश्किल होगा का मूल्यांकन है वीवो मॉडल, विशेष रूप से प्रारंभिक अध्ययन के दौरान इस दृष्टिकोण की व्यवहार्यता का मूल्यांकन पर ध्यान केंद्रित । इस प्रक्रिया में, हम व्यावसायिक रूप से उपलब्ध एकल बंदरगाह ग्लास micropipettes और एक कस्टम के माध्यम से लक्ष्य रेटिना न्यूरॉन्स के पास 1 मिमी ग्लूटामेट की छोटी मात्रा में देने के द्वारा रेटिना के दोनों एकल साइट और एक साथ बहु-साइट रासायनिक उत्तेजना दिखा micromachined मल्टी पोर्ट microfluidic डिवाइस, क्रमशः । जबकि दोनों एकल साइट और बहु-साइट उत्तेजना रासायनिक neuromodulation की चिकित्सीय व्यवहार्यता की जांच के बुनियादी उद्देश्य को पूरा, एक अद्वितीय लाभ के साथ एक विशिष्ट उद्देश्य कार्य करता है । एकल साइट उत्तेजना, जो व्यावसायिक रूप से उपलब्ध पूर्व के साथ पूरा किया जा सकता है गिलास micropipettes खींच लिया, एक ही साइट पर रेटिना की उपसतह में सीधे रसायनों इंजेक्षन करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है और अगर चौकस RGC स्पाइक दर की जांच करने के लिए कार्य करता है प्रतिक्रिया है कि नेत्रहीन पैदा प्रकाश प्रतिक्रियाओं के समान है इंजेक्शन साइट के नीचे फोकल में ले जा सकता है । दूसरी ओर, बहु साइट उत्तेजना है, जो एक विशेष रूप से गढ़े मल्टीपोर्ट microfluidic डिवाइस की आवश्यकता है, के लिए रेटिना की सतह पर कई साइटों पर विशेष रूप से रसायनों इंजेक्षन करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है और कितनी अच्छी तरह ग्लूटामेट-पैदा RCG की जांच करने के लिए कार्य करता है प्रतिक्रिया पैटर्न पैटर्न उत्तेजना अध्ययन में ग्लूटामेट इंजेक्शन पैटर्न के अनुरूप हैं ।
यहां प्रस्तुत विधि एक अनूठा तंत्रिका उत्तेजना प्रतिमान दर्शाता है, जिसमें रेटिना ंयूरॉंस रासायनिक इन विट्रो मेंरेटिना की उपसतह में देशी न्यूरोट्रांसमीटर रसायन इंजेक्शन द्वारा उत्तेजित कर रहे ?…
The authors have nothing to disclose.
पेपर में प्रस्तुत किए गए इस कार्य को नेशनल साइंस फाउंडेशन, इमर्जिंग फ्रंटियर्स इन रिसर्च एंड इनोवेशन (NSF-EFRI) प्रोग्राम ग्रांट नंबर ०९३८०७२ द्वारा सपोर्ट किया गया । इस पत्र की सामग्री पूरी तरह से लेखकों की जिंमेदारी है और जरूरी नहीं कि NSF के सरकारी विचारों का प्रतिनिधित्व करते हैं । लेखक भी अपने काम डिजाइनिंग के लिए डॉ Samsoon Inayat धंयवाद और रासायनिक उत्तेजना के लिए प्रारंभिक प्रायोगिक सेटअप परीक्षण और श्री अश्विन रघुनाथन अपने काम के लिए डिजाइन, निर्माण, और मल्टीपोर्ट microfluidic में इस्तेमाल किया डिवाइस के मूल्यांकन के लिए इच्छा इस अध्ययन ।
Microelectrode array, perforated layout | Multi Channel Systems, GmbH | 60pMEA200/30iR-Ti-pr | http://www.multichannelsystems.com/products/microelectrode-arrays/60pmea20030ir-ti |
MEA amplifier | Multi Channel Systems, GmbH | MEA1060-Inv | http://www.multichannelsystems.com/products/mea1060-inv |
Bottom perfusion groundplate for pMEA | Multi Channel Systems, GmbH | MEA1060-Inv-(BC)-PGP | http://www.multichannelsystems.com/products/mea1060-inv-bc-pgp |
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Micromanipulator Control System | Sutter Instruments, Novato, CA | MPC-200 | https://www.sutter.com/MICROMANIPULATION/mpc200.html |
Gantry style micromanipulator stand with linear slide | Sutter Instruments, Novato, CA | MT-75/LS | https://www.sutter.com/STAGES/mt75.html |
8-channel Programmable Multichannel Pressure Injector | OEM: MicroData Instrument, S. Plainfield, NJ Vendor: Harvard Apparatus UK |
PM-8000 or PM-8 | OEM: http://www.microdatamdi.com/pm8000.htm Vendor: https://www.harvardapparatus.co.uk/webapp/wcs/stores/servlet/product_11555_10001_39808_-1_HAUK_ProductDetail |
Axopatch 200A Integrating Patch Clamp Amplifier | Molecular Devices, Sunnyvale, CA | Axopatch 200A | Axopatch 200A has been replaced with a newer model Axopatch 200B: https://www.moleculardevices.com/systems/axon-conventional-patch-clamp/axopatch-200b-amplifier |
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Pre-pulled 10 μm tip diameter glass micropipettes | World Precision Instruments, Sarasota, FL | TIP10TW1 | https://www.wpiinc.com/products/laboratory-supplies/make-selection-pre-pulled-glass-pipettes-plain/ |
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Microscope boom stand with dual linear ball bearing arm | Old School Industries, Inc., Dacono, CO | OS1010H-16BB | http://www.osi-incorp.com/productdisplay/dual-linear-ball-bearing-arm |
Zoom Stereo Microscope with C-LEDS Hybrid LED Stand | Nikon, Tokyo, Japan | SMZ-445 | https://www.nikoninstruments.com/Products/Stereomicroscopes-and-Macroscopes/Stereomicroscopes/SMZ445 |
Inverted microscope system | Nikon, Tokyo, Japan | Eclipse Ti-E | https://www.nikoninstruments.com/Products/Inverted-Microscopes/Eclipse-Ti-E |
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L-Glutamic Acid (Glutamate) | Sigma-Aldrich, St. Louis, MO | G5667 | http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/mm/100291 |
Sodium bicarbonate | Sigma-Aldrich, St. Louis, MO | S8761 | http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sigma/s8761 |
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Jewelers #5 Forceps | World Precision Instruments, Sarasota, FL | 555227F | https://www.wpiinc.com/products/laboratory-supplies/555227f-jewelers-5-forceps-11cm-straight-titanium/ |
Standard Scalpel Blad #24 | World Precision Instruments, Sarasota, FL | 500247 | https://www.wpiinc.com/products/laboratory-supplies/500247-standard-scalpel-blade-24/ |
Scalpel Handle #4 | World Precision Instruments, Sarasota, FL | 500237 | https://www.wpiinc.com/products/laboratory-supplies/500237-scalpel-handle-4-14cm/ |
Vannas Tubingen Dissection Scissors | World Precision Instruments, Sarasota, FL | 503378 | https://www.wpiinc.com/products/laboratory-supplies/503378-vannas-tubingen-scissors-8cm-straight-german-steel/ |
Nylon mesh kit | Warner Instruments, Hamden, CT | NYL/MESH | https://www.warneronline.com/product_info.cfm?id=1173 |
Harp slice grid | ALA Scientific Instruments, Farmingdale, NY | HSG-5AD | http://alascience.com/product/standard-harp-slice-grids/ |
Ag/AgCl reference electrode pellet | Multi Channel Systems, GmbH | P1060 | http://www.multichannelsystems.com/products/p1060 |
4 Channel Valve Controlled Gravity Perfusion System | ALA Scientific Instruments, Farmingdale, NY | VC3-4xG | http://alascience.com/product/4-channel-valve-controlled-gravity-perfusion-system/ |
Zyla 5.5 sCMOS microscope camera | Andor Technology, Belfast, UK | Zyla 5.5 sCMOS | http://www.andor.com/scientific-cameras/neo-and-zyla-scmos-cameras/zyla-55-scmos |
Silver wire (50 μm diameter) | Fischer Scientific, Waltham, MA | AA44461G5 | https://www.fishersci.com/shop/products/silver-wire-0-05mm-0-002-in-dia-annealed-99-99-metals-basis-3/aa44461g5 |
Tygon microbore tubing (1.6 mm diameter) | Cole Parmer, Vernon Hills , IL | EW-06419-01 | https://www.coleparmer.com/i/tygon-microbore-tubing-0-020-x-0-060-od-100-ft-roll/0641901 |
Tilting Tool Holder with Steel Cannula | ALA Scientific Instruments, Farmingdale, NY | TILTPORT | One each of these were utilized for top perfusion and suction; http://alascience.com/product/tilting-tool-holder-with-steel-cannula/ |
Roscolux #26 Light Red Filter Sheet | Rosco Laboratories Inc., 52 Harbor View, Stamford, CT | R2611 | Manufacturer: http://us.rosco.com/en/products/catalog/roscolux Vendor: https://www.bhphotovideo.com/c/product/43957-REG/Rosco_RS2611_26_Filter_Light.html |
Smith & Wesson Galaxy Red Flashlight | Smith & Wesson, 2100 Roosevelt Avenue, Springfield, MA | 4588 | Manufacturer: https://www.smith-wesson.com/ Vendor: http://www.mypilotstore.com/mypilotstore/sep/4588 |
MC_Rack Software | Multi Channel Systems, GmbH | MC_Rack | http://www.multichannelsystems.com/software/mc-rack |
Labview Software | National Instruments, Austin, TX | LabVIEW | http://www.ni.com/labview/ |
NIS-Elements: Basic Research Software | Nikon, Tokyo, Japan | NIS-Elements BR | https://www.nikoninstruments.com/Products/Software/NIS-Elements-Basic-Research |