동시<em> 생체</em두 망막의> 기능 테스트로<em> 생체</em> 전위도 시스템
Summary
Ex vivo ERG can be used to record electrical activity of retinal cells directly from isolated intact retinas of animals or humans. We demonstrate here how common in vivo ERG systems can be adapted for ex vivo ERG recordings in order to dissect the electrical activity of retinal cells.
Abstract
An In vivo electroretinogram (ERG) signal is composed of several overlapping components originating from different retinal cell types, as well as noise from extra-retinal sources. Ex vivo ERG provides an efficient method to dissect the function of retinal cells directly from an intact isolated retina of animals or donor eyes. In addition, ex vivo ERG can be used to test the efficacy and safety of potential therapeutic agents on retina tissue from animals or humans. We show here how commercially available in vivo ERG systems can be used to conduct ex vivo ERG recordings from isolated mouse retinas. We combine the light stimulation, electronic and heating units of a standard in vivo system with custom-designed specimen holder, gravity-controlled perfusion system and electromagnetic noise shielding to record low-noise ex vivo ERG signals simultaneously from two retinas with the acquisition software included in commercial in vivo systems. Further, we demonstrate how to use this method in combination with pharmacological treatments that remove specific ERG components in order to dissect the function of certain retinal cell types.
Introduction
전위도 (ERG)은 빛에 의해 트리거 망막의 전기 활동을 기록 할 수있는 잘 확립 된 기법이다. ERG 신호는 망막의 세포 외 공간 저항에 흐르는 전류에 의한 방사 전압 변화 (감광체 바이폴라 셀의 축 방향)에 의해 주로 생성된다. 제 ERG 신호 은점 (1)의 표면으로부터 그렌에 의해 1865 년에 기록되었다. Einthoven 유쾌한 1908 2 B-, A-라는 세 가지 파도에 빛의 발병 ERG 응답, 및 C 파 지금 쌍극 세포, 감광체 주로 활동을 반영하는 것으로 알려져 있으며, 색소 상피를 분리 세포, 각각 3-8. 에르그 지역 (미소 전극과 (생체) 고립 그대로 망막에 걸쳐, 고립 된 눈 준비 (9)에서, 마취 동물 또는 (생체 내) 인간의 눈에서 3,10-15 또는에서 특정 망막 층을 기록 할 수 있습니다ERG) 4,16. 이들 중에서, 생체 ERG 현재 망막 기능을 평가하기 위해 가장 널리 사용되는 방법이다. 또한 진단 목적으로 이용 될 수 있거나 또는 동물이나 환자의 망막 질환의 진행을 따라 비 침습적 방법이다. 그러나 생체 내 에르그 녹음은 종종 안구 생리 소음 (예, 호흡과 심장 활동)에 의해 오염, 여러 중복 구성 요소와 복잡한 신호를 생성한다.
로컬 ERG는 망막의 특정 층에 걸쳐 신호를 기록하기 위해 사용될 수 있지만, 가장 침습적이고 다른 ERG 기록 구성과 비교하여 낮은 신호대 잡음비 (SNR)를 갖는다. 지역 망막 전위도 기술적으로 요구하고 고가의 장비 (예를 들어, 현미경과 미세 조작기)가 필요합니다. 그대로 고립 된 망막에서 Transretinal ERG (생체 ERG)는 안정적이고 HIG을 허용 생체 내 및 지역 에르그 방법 사이의 타협을 제공합니다동물이나 인간 (17)의 손상 망막에서 시간 SNR 녹음. 최근에,이 방법은 포유 동물, 영장류 및 인간 망막 18-20에 막대와 콘 감광체 기능을 연구하기 위해 성공적으로 사용되어왔다. 또한, 인해 생체 망막 색소 상피 세포의 부재로, ERG 신호의 포지티브 형 C 파 성분을 제거하고 눈에 띄는 네거티브 느린 PIII 성분은 생체 녹화 드러난다. 느린 PIII 성분은 망막 21-23에서 뮐러 아교 세포의 활성에서 발생하는 것으로 나타났다. 따라서, 생체 외 ERG 방법도 그대로 망막 뮐러 세포를 연구하기 위해 사용될 수있다. 여러 연구는 또한 생체 ERG 레코딩은 망막 (24) 주위되는 약물의 농도를 측정하고, 약 25 ~ 27의 안전성과 효능을 테스트하는 데 사용될 수 보여 주었다.
생체 시스템의 여러 상업이 가능하며,반드시 광범위한 전기 생리학 배경이없는 많은 실험실에서 사용. 대조적으로, 체외 장치 (17)는 최근까지 극소수 실험실은이 강력한 기술을 활용되는 결과로서 사용할 수 없었다. 그것은 망막의 생리와 병리에 대한 우리의 지식을 향상하고, 질병을 눈부신에 대한 새로운 치료법을 개발하기 위해 더 많은 실험실에 생체 에르그 녹음을 사용할 수 있도록하는 것이 도움이 될 것입니다. 우리는 여기에 간단하고 저렴한 생체 ERG 장치 (17)을 설명하고는 일단이 상기 조작 패널 및 원뿔 – 매개 신호를 기록하는 몇몇 시판 생체 ERG 시스템과 조합하여 사용될 수있는 방법을 보여준다 (A- 및 B- 파)와 함수 그대로 야생형 마우스 망막에서 뮐러 세포 (PIII을 느리게).
Protocol
Representative Results
Discussion
우리는 여기서 생체 ERG 어댑터와 함께 생체 ERG 시스템 구성 요소를 사용하여 두 개의 격리 된 마우스의 망막 동시에 고품질 생체 ERG 녹화를 얻기위한 중요한 단계를 보여준다. 본 연구에서 우리는 동일한 용액 (어느 에임스 ', 로크 또는 링거)과 동물 모두에서 망막 관류하지만 약물 테스트를 위해 상이한 솔루션 등 각 망막 관류하는 것도 가능하다. 고품질…
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
이 작품은 NIH 보조금 EY019312과 EY021126 (VJK), 워싱턴 대학 안과학 교실 및 Visual 과학에 EY002687에 의해 지원되었다, 연구에 의해 실명을 방지 할 수 있습니다.
Materials
| In vivo ERG system | OcuScience | HMsERG | www.ocuscience.us/id77.html |
| In vivo ERG system | LKC Technologies | UTAS-E 3000 | www.lkc.com/products/UTAS/bigshot.html |
| Ex vivo adapter | OcuScience | Ex VIVO ERG adapter | www.ocuscience.us/id107.html |
| Dissection microscope | North Central Instruments | Leica M80 | May use any brand |
| IR emitter | Opto Diode Corp. | OD-50L | www.optodiode.com |
| Prowler Night Vision Scopes | B.E. Meyers Electro Optics | D4300-I | Military grade product. |
| Red filter | Rosco Laboratories | Roscolux #27 Medium Red | May be used instead of IR system |
| Red head light | OcuScience | ERGX011 | www.ocuscience.us/catalog/i29.html |
| Microscissors | WPI, Inc. | 500086 | www.wpiinc.com/ |
| Dumont tweezers #5 | WPI, Inc. | 14101 | |
| Razor blades | Electron Microscopy Sciences | 72000 | www.emsdiasum.com |
| Scale | Metler Toledo | AB54-S/FACT | May use any brand |
| pH meter and electrode | Beckman Coulter | pHI 350 | May use any brand |
| NaCl | Sigma-Aldrich | S7653 | May use any brand |
| KCl | Sigma-Aldrich | 60129 | May use any brand |
| MgCl2 | Sigma-Aldrich | 63020 | 1.0 M solution |
| CaCl2 | Sigma-Aldrich | 21114 | 1.0 M solution |
| EDTA | Sigma-Aldrich | 431788 | May use any brand |
| HEPES | Sigma-Aldrich | H3375 | May use any brand |
| Sodium Bicarbonate | Sigma-Aldrich | S6297 | May use any brand |
| Ames medium | Sigma-Aldrich | A1420 | May use any brand |
| BaCl2 | Sigma-Aldrich | B0750 | May use any brand |
| DL-AP4 | Tocris Bioscience | 101 | May use any brand |
| Succinic acid disodium salt | Sigma-Aldrich | 224731 | May use any brand |
| L-Glutamic acid | Sigma-Aldrich | G2834 | May use any brand |
| D-(+)-Glucose | Sigma-Aldrich | G7528 | May use any brand |
| Leibovitz culture medium L-15 | Sigma-Aldrich | L4386 | May use any brand |
| MEM vitamins | Sigma-Aldrich | M6895 | |
| MEM amino acids | Sigma-Aldrich | M5550 | |
| Carbogen | Airgas | UN3156 | 5% CO2 |
Referencias
- Armington, J. C. . The Electroretinogram. , (1974).
- Einthoven, W., Jolly, W. A. The form and magnitude of the electrical response of the eye to stimulation by light at various intensities. Q J Exp Physiol. 1, 43 (1908).
- Granit, R. The components of the retinal action potential in mammals and their relation to the discharge in the optic nerve. J. Physiol. 77, 207-239 (1933).
- Penn, R. D., Hagins, W. A. Signal transmission along retinal rods and the origin of the electroretinographic a-wave. Nature. 223, 201-204 (1969).
- Stockton, R. A., Slaughter, M. M. B-wave of the electroretinogram. A reflection of ON bipolar cell activity. J. Gen. Physiol. 93, 101-122 (1989).
- Robson, J. G., Frishman, L. J. Response linearity and kinetics of the cat retina: the bipolar cell component of the dark-adapted electroretinogram. Vis. Neurosci. 12, 837-850 (1995).
- Green, D. G., Kapousta-Bruneau, N. V. A dissection of the electroretinogram from the isolated rat retina with microelectrodes and drugs. Vis. Neurosci. 16, 727-741 (1999).
- Steinberg, R. H., Schmidt, R., Brown, K. T. Intracellular responses to light from cat pigment epithelium: origin of the electroretinogram c-wave. Nature. 227, 728-730 (1970).
- Wilson, W. S., Shahidullah, M., Millar, C. The bovine arterially-perfused eye: an in vitro method for the study of drug mechanisms on IOP, aqueous humour formation and uveal vasculature. Curr. Eye Res. 12, 609-620 (1993).
- Frank, R. N., Dowling, J. E. Rhodopsin photoproducts: effects on electroretinogram sensitivity in isolated perfused rat retina. Science. 161, 487-489 (1968).
- Donner, K., Hemila, S., Koskelainen, A. Temperature-dependence of rod photoresponses from the aspartate-treated retina of the frog (Rana temporaria). Acta Physiol. Scand. 134, 535-541 (1988).
- Green, D. G., Kapousta-Bruneau, N. V. Electrophysiological properties of a new isolated rat retina preparation. Vision Res. 39, 2165-2177 (1999).
- Hamasaki, D. I. The effect of sodium ion concentration on the electroretinogram of the isolated retina of the frog. J. Physiol. 167, 156-168 (1963).
- Luke, M., et al. The isolated perfused bovine retina–a sensitive tool for pharmacological research on retinal function. Brain Res. Brain Res. Protoc. 16, 27-36 (2005).
- Bastian, B. L., Fain, G. L. Light adaptation in toad rods: requirement for an internal messenger which is not calcium. J. Physiol. 297, 493-520 (1979).
- Arden, G. B. Voltage gradients across the receptor layer of the isolated rat retina. J. Physiol. 256, 333-360 (1976).
- Vinberg, F., Kolesnikov, A. V., Kefalov, V. J. Ex vivo ERG analysis of photoreceptors using an in vivo ERG system. Vision Res. 101, 108-117 (2014).
- Nymark, S., Heikkinen, H., Haldin, C., Donner, K., Koskelainen, A. Light responses and light adaptation in rat retinal rods at different temperatures. J. Physiol. 567, 923-938 (2005).
- Heikkinen, H., Nymark, S., Koskelainen, A. Mouse cone photoresponses obtained with electroretinogram from the isolated retina. Vision Res. 48, 264-272 (2008).
- Wang, J. S., Kefalov, V. J. An alternative pathway mediates the mouse and human cone visual cycle. Curr. Biol. 19, 1665-1669 (2009).
- Bolnick, D. A., Walter, A. E., Sillman, A. J. Barium suppresses slow PIII in perfused bullfrog retina. Vision Res. 19, 1117-1119 (1979).
- Newman, E. A. Potassium conductance block by barium in amphibian Muller cells. Brain Res. 498, 308-314 (1989).
- Oakley, B., Katz, B. J., Xu, Z., Zheng, J. Spatial buffering of extracellular potassium by Muller (glial) cells in the toad retina. Exp. Eye Res. 55, 539-550 (1992).
- Nymark, S., Haldin, C., Tenhu, H., Koskelainen, A. A new method for measuring free drug concentration: retinal tissue as a biosensor. Invest. Ophthalmol. Vis. Sci. 47, 2583-2588 (2006).
- Walter, P., Luke, C., Sickel, W. Antibiotics and light responses in superfused bovine retina. Cell. Mol. Neurobiol. 19, 87-92 (1999).
- Luke, M., et al. The safety profile of alkylphosphocholines in the model of the isolated perfused vertebrate retina. Graefes Arch. Clin. Exp. Ophthalmol. 248, 511-518 (2010).
- Januschowski, K., et al. Electrophysiological toxicity testing of VEGF Trap-Eye in an isolated perfused vertebrate retina organ culture model. Acta Ophthalmol. 92, e305-e311 (2014).
- Kolesnikov, A. V., Kefalov, V. J. Transretinal ERG recordings from mouse retina: rod and cone photoresponses. J Vis Exp. , (2012).
- Koskelainen, A., Hemila, S., Donner, K. Spectral sensitivities of short- and long-wavelength sensitive cone mechanisms in the frog retina. Acta Physiol. Scand. 152, 115-124 (1994).
- Lyubarsky, A. L., Falsini, B., Pennesi, M. E., Valentini, P., Pugh, E. N. UV- and midwave-sensitive cone-driven retinal responses of the mouse: a possible phenotype for coexpression of cone photopigments. J. Neurosci. 19, 442-455 (1999).
- Lyubarsky, A. L., Daniele, L. L., Pugh, E. N. From candelas to photoisomerizations in the mouse eye by rhodopsin bleaching in situ and the light-rearing dependence of the major components of the mouse ERG. Vision Res. 44, 3235-3251 (2004).
- Azevedo, A. W., Rieke, F. Experimental protocols alter phototransduction: the implications for retinal processing at visual threshold. J. Neurosci. 31, 3670-3682 (2011).
- Carter-Dawson, L. D., LaVail, M. M. Rods and cones in the mouse retina. I. Structural analysis using light and electron microscopy. J. Comp. Neurol. 188, 245-262 (1979).
- Fain, G. L., Matthews, H. R., Cornwall, M. C., Koutalos, Y. Adaptation in vertebrate photoreceptors. Physiol. Rev. 81, 117-151 (2001).
- Calvert, P. D., Strissel, K. J., Schiesser, W. E., Pugh, E. N., Arshavsky, V. Y. Light-driven translocation of signaling proteins in vertebrate photoreceptors. Trends Cell Biol. 16, 560-568 (2006).
- Schneeweis, D. M., Schnapf, J. L. The photovoltage of macaque cone photoreceptors: adaptation, noise, and kinetics. J. Neurosci. 19, 1203-1216 (1999).
- Heikkinen, H., Vinberg, F., Nymark, S., Koskelainen, A. Mesopic background lights enhance dark-adapted cone ERG flash responses in the intact mouse retina: a possible role for gap junctional decoupling. J. Neurophysiol. 105, 2309-2318 (2011).
- Gouras, P., MacKay, C. J. Growth in amplitude of the human cone electroretinogram with light adaptation. Invest. Ophthalmol. Vis. Sci. 30, 625-630 (1989).
- Peachey, N. S., Goto, Y., al-Ubaidi, M. R., Naash, M. I. Properties of the mouse cone-mediated electroretinogram during light adaptation. Neurosci. Lett. 162, 9-11 (1993).
