Here we describe histological techniques for visualising ocular tissue directly adjacent to a metal epiretinal tack and retinal prosthesis.
Retinal prostheses for the treatment of certain forms of blindness are gaining traction in clinical trials around the world with commercial devices currently entering the market. In order to evaluate the safety of these devices, in preclinical studies, reliable techniques are needed. However, the hard metal components utilised in some retinal implants are not compatible with traditional histological processes, particularly in consideration for the delicate nature of the surrounding tissue. Here we describe techniques for assessing the health of the eye directly adjacent to a retinal implant secured epiretinally with a metal tack.
Retinal prostheses feature electrode arrays in contact with eye tissue. The most commonly used location for implantation is the epiretinal location (posterior chamber of the eye), where the implant is secured to the retina with a metal tack that penetrates all the layers of the eye. Previous methods have not been able to assess the proximal ocular tissue with the tack in situ, due to the inability of traditional histological techniques to cut metal objects. Consequently, it has been difficult to assess localized damage, if present, caused by tack insertion.
Therefore, we developed a technique for visualizing the tissue around a retinal tack and implant. We have modified an established technique, used for processing and visualizing hard bony tissue around a cochlear implant, for the soft delicate tissues of the eye. We orientated and embedded the fixed eye tissue, including the implant and retinal tack, in epoxy resin, to stabilise and protect the structure of the sample. Embedded samples were then ground, polished, stained, and imaged under various magnifications at incremental depths through the sample. This technique allowed the reliable assessment of eye tissue integrity and cytoarchitecture adjacent to the metal tack.
Rétinite pigmentaire (RP) est une maladie héréditaire qui provoque la perte généralisée de photorécepteurs, qui sont les cellules de la couche la plus externe de la rétine responsable de la transduction de lumière, sous la forme de photons, dans l'activité neuronale. Fait important, les patients atteints de RP ont typiquement des neurones résiduels dans les autres couches de la rétine qui sont encore fonctionnelles. Prothèses rétiniennes sont capables de restaurer une vision limitée à ces patients en ciblant ces neurones survivants avec stimulation électrique pour activer leur parcours 1,2 visuelle. Les résultats d'essais cliniques de perception ont montré de premiers résultats prometteurs et récemment certains appareils ont été approuvés pour un usage commercial. Actuellement, il existe trois principaux emplacements anatomiques dans lequel prothèses rétiniennes cliniques ont été positionnés: epiretinally 3,4, 5,6 et sous-rétinienne suprachoroidally 7,8. Différents dispositifs utilisent différents matériaux et leur forme est personnaliséà l'emplacement dans lequel ils sont implantés. Cependant, ils ont tous créent percepts visuels en activant les neurones résiduelles de la rétine avec des impulsions électriques.
Il ya le potentiel pour une prothèse médicale d'endommager les tissus environnants en raison d'effets mécaniques du placement initial ou des forces en cours ultérieurs. Dans le cas de stimulateurs implantables, tels que les prothèses rétiniennes, il est la contrepartie supplémentaire que les paramètres électriques devraient être dans des limites sûres. La sécurité des patients est primordiale, de sorte dispositifs doit être testé rigoureusement dans les études précliniques avant de passer à la fixation d'un clinique 9-15. Dans notre article d'accompagnement, nous avons décrit une méthode pour évaluer l'histopathologie localisée de l'œil entourant un implant positionné dans l'espace suprachoroïdien 16. Dans la présente manuscrit, nous décrivons une méthode pour visualiser les tissus oculaires entourant un réseau d'électrodes plaquées à la rétine epiretinally, dans une préclinique (feligne) modèle (figure 1).
L'emplacement épirétinienne est la position la plus couramment utilisée pour localiser une prothèse visuelle. réseaux d'électrodes situées ici sont généralement fixés sur la rétine avec une pointe métallique qui pénètre dans toutes les couches 17-20 de l'oeil. Avant les techniques décrites dans le présent manuscrit, il était difficile d'évaluer avec précision la rétine et d'autres tissus environnants immédiatement un virement de bord. La fixation de l'oculaire standard utilisant du formol tamponné neutre causé des dommages de la rétine artefact dû au mouvement différentiel de la rétine et la sclérotique contre le point de l'amure fixe. Par conséquent, toute la réalité du dommage causé par le point d'amure et le réseau epiretinal n'a pas pu être observé avec précision. En outre, la coupe du tissu oculaire ne pouvait pas être effectuée avec le point d'amure de la rétine in situ comme des objets métalliques ne peuvent pas être facilement coupés avec un appareil histologique traditionnelle; enlever le point d'amure avant le traitement histologique a également étéindésirable, car cela a aussi conduit à des lésions rétiniennes artefact.
Le but de la présente étude était double: 1) pour réduire décollement de rétine artefact sorte que tout dommage causé par le point d'amure et le tableau implant epiretinal peut être évaluée de façon fiable; et 2) pour visualiser l'architecture de la rétine à proximité de l'adhésivité sans l'enlever. Afin de parvenir à une vue, une nouvelle technique de fixation a été utilisé (comme décrit dans l'article compagnon 16), ce qui réduit le délaminage de la rétine artefact. Pour atteindre objectif 2, nous avons modifié un plongement, le meulage, le polissage et technique, développée à l'origine pour l'observation in situ d'électrodes d'implant cochléaire es 21-23. Les méthodes décrites dans ce manuscrit permettent la visualisation de la rétine environnante et adjacent à un virement de bord in situ tout en minimisant les dommages à la rétine et artéfactuelles permettant ainsi une évaluation précise des dommages potentiels causés par le point d'amure et le réseau epiretinal.
Techniques histologiques standard sont incapables de traiter des implants métalliques durs in situ en raison des limites de coupe ces objets de métal, de verre ou même des lames diamant. Dans notre document d'accompagnement 16, nous avons montré que l'utilisation d'une technique de fixation des yeux toute modification pourrait réduire le délaminage de la rétine artefact. Dans le manuscrit en cours, un meulage et de polissage établis technique pour visualiser les implants cochléaires 21-23 in situ a été modifié pour les prothèses rétiniennes. Une adhérence de titane, utilisé pour fixer un réseau d'électrodes de la rétine, epiretinally, a été noyé dans de l'époxy avec le tissu oculaire environnant. Ce bloc de résine a alors été orienté de manière appropriée et la terre progressivement / poli afin de révéler la morphologie des tissus immédiatement adjacente à la punaise de métal. Images de la surface polie du bloc à différentes profondeurs ont été prises avec un microscope de dissection puissant. Cette technique est utile pour: visualisation et évaluatment la réponse du tissu adjacent à l'implant épirétinienne; pour évaluer le traumatisme chirurgical associé à l'implantation de l'implant; pour déterminer la réaction biologique pour les pièces en métaux durs; et à mesurer la distance entre l'implant et la surface de la rétine.
Cette technique sera utile dans les futures études de sécurité pour la visualisation in situ de la région adjacente à une attache rétinienne ou d'autres (par exemple, métalliques) des objets durs dans l'œil dans. Cela a une application directe pour évaluer l'innocuité préclinique de prothèses cloué à la rétine epiretinally. Il peut également être utile pour l'évaluation des dommages aux tissus de la rétine dans des régions en contact avec des implants situés à l'emplacement du sous-rétinien.
Il ya plusieurs façons de vérifier que la technique a été effectuée correctement. A chaque étape, la rétine doit rester attaché aux couches externes de l'œil. Se il ya décollement de la rétine artefact brute, ce qui peut Indicmangé un problème avec la fixation. Lorsque l'échantillon est intégré et re-orienté dans la résine finale bloquer la rétine devrait être proche de l'orthogonale-face de meulage du bloc; ce qui réduira la coupe oblique. Il est utile de vérifier que le nombre d'étapes supplémentaires de broyage (de taille de pas connu) nécessaire pour parcourir un objet (comme une attache rétinienne) corrélation conséquence avec les dimensions de l'objet.
La technique peut être optimisée de plusieurs façons. Rayures sur la surface du bloc époxy associé au processus de broyage peuvent être réduites progressivement polissage de qualité plus fine. Pour la présente étude, nous avons utilisé 800, 1000, 1200, 2400, 4000 et papier au carbure de silicium de qualité. Pâte de diamant pourrait également être utilisé pour améliorer la finition de surface. Une finition de surface plus fine donne une image de qualité supérieure mais au prix de temps de polissage supplémentaire. Un autre élément clé pour améliorer les résultats de cette technique est le choix et la qualité de l'optics et d'éclairage utilisés pour la capture d'image. Autres taches histologiques de base – en particulier les taches de Nissl, peuvent être utilisés à la place du bleu de toluidine, mais peuvent nécessiter une optimisation plus poussée. Certaines taches peuvent tacher la résine ainsi que le tissu (par exemple, l'éosine), donc un vernis peu profonde peut être nécessaire après la coloration de fond pour enlever la décoloration. Taches spécialisées, des colorants fluorescents et la coloration immunohistochimique n'a pas été tentée, mais moins qu'un résultat très spécifique est souhaitée, le temps nécessaire pour effectuer ces tâches à chaque niveau de broyage est susceptible d'être prohibitif. Toutefois, il peut être possible de teindre le tissu dans son ensemble avant l'étape de l'incorporation (étape 3.4) 24.
La principale limite de cette technique est que, une fois la région d'intérêt a été meulés, il ne peut pas être récupéré, par conséquent, il est prudent de capturer plusieurs images (éventuellement redondantes) à une variété de grossissements à chaque étape de meulage et le polissage. Il estégalement important d'utiliser de petits incréments pour chaque réglage de la profondeur de broyage. Une autre limite de cette technique est que de l'agrandissement et de la résolution optique en comparaison avec le tissu monté sur une lame de verre et lu avec un écart (transmission) microscope optique. Aux fins de prototypage et d'évaluer la sécurité d'un dispositif d'implant roman, l'évaluation macropathologique est d'un intérêt primordial. Cette technique fournit un procédé efficace pour l'observation des dommages cliniquement significative associée à une attache rétinienne. Avec la pratique, le temps global nécessaire pour réunir, meuler, polir et de photographier un échantillon donné (une fois embarqués) est comparable au temps qu'il faudrait pour la section d'un bloc de paraffine ou de l'article congelé.
Il ya aussi la possibilité que les techniques actuelles d'être étendu à des applications en dehors du champ d'application des implants rétiniens. Cette technique est adaptée à l'évaluation le tissu adjacent à un implant dur, où l'extraction de l'implant ne est pas feasible ou nuirait à l'interface. Par exemple, cette technique pourrait être étendu à évaluer implants fabriqués à partir de métal (par exemple, le platine, le nitinol, etc.) qui ne peut être coupé par des techniques histologiques classiques, tels que certains cérébrale profonde ou électrodes de nerfs périphériques, les canules pour la délivrance de médicaments, les endoprothèses vasculaires ou des prothèses orthopédiques.
The authors have nothing to disclose.
Nicole Vella (Macquarie University) for providing reagents; Alexia Saunder (Bionics Institute; BI), Michelle McPhedran (BI), Chris Williams (BI) for experimental support; the Royal Victorian Eye and Ear Hospital (RVEEH) Biological Research Centre staff for animal care; Sue Pierce (RVEEH) for veterinary advice; Anthony Burkitt (Bionic Vision Australia; BVA), Tamara Brawn (BVA) and the BVA staff for administrative support.
This research was supported by the Australian Research Council (ARC) through its Special Research Initiative (SRI) in Bionic Vision Science and Technology grant to Bionic Vision Australia (BVA). The Bionics Institute receives Operational Infrastructure Support from the Victorian Government and also acknowledges support from the Bertalli Family Trust and the J T Reid Charitable Trust. The funders had no role in study design, data collection and analysis, decision to publish, or preparation of the manuscript.
The Bionic Vision Australia Consortia authors for this manuscript are (a-z):
Penelope J. Allen, Owen Burns, Kate E. Fox, Kumaravelu Ganesan, David J. Garret, Hamish Meffin, Joel Villalobos, and Jonathan Yeoh.
Name of the reagent / equipment | Company | Catalogue number | Comments (optional) |
Acetone | Chem-Supply | AA008 | Propanone BHD Medical grade |
Epo-Tek 301 Epoxy | Epoxy Technology | Part A 1675-54-3 Part B 9046-10-0 | |
Ethanol 70-75% v/v | Merck PTY LTD | 4.10261 | Alcohol |
Ethanol | Merck PTY LTD | 90143 | Alcohol |
Toluidine blue O | Sigma-Aldrich | T3260 | |
Ethylenediamine Tetraacetic Acid | Sigma-Aldrich | ||
TegraPol grinding/polishing machine | Struers | TegraPol-25 | |
AccuStop specimen holder | Struers | Accustop | |
Light microscope | Leica | MZ16 | |
Objective lens | Leica | 2.0x Planapo Objective | |
Digital Microscope Camera | Leica | DFC-420C | |
Microscope Software | Leica | Application Suite v4.1.0 |