임상 적으로 구축<em> 전의 VIVO</em기본 미세 환경에서 상피 상처 복구 조사를위한> 모의 백내장 수술 모델
Summary
Described here is the establishment of a clinically relevant ex vivo mock cataract surgery model that can be used to investigate mechanisms of the injury response of epithelial tissues within their native microenvironment.
Abstract
The major impediment to understanding how an epithelial tissue executes wound repair is the limited availability of models in which it is possible to follow and manipulate the wound response ex vivo in an environment that closely mimics that of epithelial tissue injury in vivo. This issue was addressed by creating a clinically relevant epithelial ex vivo injury-repair model based on cataract surgery. In this culture model, the response of the lens epithelium to wounding can be followed live in the cells’ native microenvironment, and the molecular mediators of wound repair easily manipulated during the repair process. To prepare the cultures, lenses are removed from the eye and a small incision is made in the anterior of the lens from which the inner mass of lens fiber cells is removed. This procedure creates a circular wound on the posterior lens capsule, the thick basement membrane that surrounds the lens. This wound area where the fiber cells were attached is located just adjacent to a continuous monolayer of lens epithelial cells that remains linked to the lens capsule during the surgical procedure. The wounded epithelium, the cell type from which fiber cells are derived during development, responds to the injury of fiber cell removal by moving collectively across the wound area, led by a population of vimentin-rich repair cells whose mesenchymal progenitors are endogenous to the lens1. These properties are typical of a normal epithelial wound healing response. In this model, as in vivo, wound repair is dependent on signals supplied by the endogenous environment that is uniquely maintained in this ex vivo culture system, providing an ideal opportunity for discovery of the mechanisms that regulate repair of an epithelium following wounding.
Introduction
임상 적으로, 모의 백내장 수술은, 여기에서 설명한 생체 상피 상처 치유 모델 부상에 응답하여 상피 조직의 복구를 조절 메카니즘을 조사하기위한 도구를 제공하기 위해 개발되었다. 이 모델을 창출을 목적으로 한 주요 기능은 밀접하게 복구 프로세스를 문화 설정, 2), 수리의 규제 요소를 변조의 완화에 부상에 대한 생체 반응을 복제하고 이미지 3) 기능 1) 제공하는 조건을 포함 실시간 전체에서. 과제는, 따라서, 세포의 미세 환경에서 원시 상피 상처 복구를 연구하는 것이 가능시킨 배양 모델을 생성하고 조작하는 것이었다. 이 상처 수리 모델의 유용성은 복구 프로세스를 조절하는 매트릭스 단백질, 사이토 카인 및 케모카인에서 내인성 시그널링 신호를 식별하기위한 새로운 가능성을 연다. 또한, 모델을 조사하기위한 이상적인 방법N 상피 창상 면적 2,3-을 다시 epithelialize하는 단체 시트 같이 부상 상피 4 집단 이주를 연출 기능 감긴 가장자리 간엽 리더 셀의 혈통을 결정하기위한 이동시킬 수있다. 이 모델은 또한 효과적인 상처 치유를 촉진하고 비정상적인 상처 수리 (5)을 방지 할 수 치료제를 식별하는 데 사용할 수있는 플랫폼을 제공한다.
가능한 상처 수리 모델의 수는 문화와 오늘 상처 복구 프로세스에 대해 알려진 대부분을 제공 한 생체, 모두, 이미있다. 이러한 각막 6-12 및 13-17 등 피부 손상 동물 모델에서의 기여를 포함하는 과정에 관여 할 수있는 모든 수리 매개체의 맥락에서 부상으로 조직의 반응을 연구 할 수있는 기회가있다 혈관 및 신경계. 그러나, experi 조작에 한계가있다생체 내에서의 정신적 상태 및 연속적으로 시간이 지남에 따라, 생체 내에서 수리 응답의 영상 검사를 실시 아직 가능하지 않다. 대조적으로, 이러한 스크래치 상처와 같은 대부분의 시험 관내 상처 수복 배양 모델들은 쉽게 조작 될 수 있고, 시간이 지남에 따라하지만 생체 조직에 상처 치유 공부의 환경 문맥이 부족하다. 생체 외 모델이 프로세스의 모든 시점에서 수리 분자 조절기를 조절하는 능력과 결합 된 세포의 미세 환경의 콘텍스트에서 시간에 걸쳐 연속적으로 부상 복구 프로세스를 연구하는 이점을 제공하지만, 이들에 맞 몇몇 모델이 있습니다 매개 변수를 설정합니다.
여기에 생리 상처 상피 조직의 반응을 재현 배양 치유 재현성 높은 생체 상피의 상처를 생성하는 절차를 설명한다. 조직 공급원, 생체 MOC으로 병아리 배아 렌즈 사용K 백내장 수술이 행해진 다. 렌즈는 무 혈관, 신경 지배, 및 관련 기질 (18,19)의 자유되지는 자체 포함 두꺼운 기저막 캡슐 내에 있기 때문에이 연구에 사용하는 이상적인 조직이다. 인간의 질환, 백내장 수술로 인해 렌즈의 혼탁으로 시력 상실을 해결하고, 렌즈의 대부분을 포함하는 렌즈 섬유 세포 덩어리의 제거를 포함한다. 다음은 백내장 수술의 비전은 인공 수정체의 삽입을 통해 복원됩니다. 백내장 수술 절차, 섬유 세포의 제거를 통해, 섬유 세포에 의해 점유되었던 렌즈 캡슐의 후방 영역의 재 상피화함으로써 응답 인접한 렌즈 상피의 상처 반응을 유도한다. 백내장 수술에서 가장 상처 복구 응답 같이 때때로 렌즈 후방 Capsu로 알려져 근육 섬유 모세포의 출현과 관련된 창상 치유 반응을 비정상적 섬유화 결과,이 발생제작 혼탁 20-22. 백내장 수술 상처 치유 모델을 생성하기 위해, 백내장 수술 절차는 생리 부상을 생성 병아리 배아로부터 제거 눈 렌즈에 모방한다. 렌즈 상피 세포에 의해 둘러싸인 매우 일관된 원형 상처 영역에서 렌즈 섬유 세포 결과 미세 수술 제거. 이 세포 집단 단단히 렌즈 기저막에 부착 된 캡슐 유지되며 외과 적 절차에 의해 부상한다. 상피 세포는 리더 셀 1로 복구 프로세스에 공지 멘틴 풍부한 간엽 세포 집단 이끄는 상처를 치유하는 내인성 기저막의 무 결함 영역으로 이동한다. 이 모델 부상 상피의 응답 쉽게 시각화 할 수 있고, 세포의 미세 환경의 콘텍스트에서 시간에 따라. 세포 발현 또는 상처 복구하는 역할을 할 것으로 기대 분자의 활성화의 변형에 용이하게 접근 할 수있다. 일의 강력한 기능모델 분리 및 상처 치유의 틀에서 마이그레이션 별 변화를 연구 할 수있는 기능입니다. 연구를 위해 세 유사한 생체 상처 치유 배양 다수를 준비하는 능력은이 모델의 다른 이점이다. 따라서,이 모델 시스템은 상처 치유 과정에 미치는 영향에 대한 상처 수리의 메커니즘과 테스트 치료제 떨어져 애타게 할 수있는 독특한 기회를 제공합니다. 생체 모의 백내장 수술 모델은 손상 복구 메커니즘의 연구를위한 중요한 자원을 제공하는, 다양한 적용 가능성을 가질 것으로 기대된다.
Protocol
Representative Results
Discussion
Here is described a technique for preparing a culture model of wound repair that involves performing an ex vivo cataract surgery on chick embryo lenses after their removal from the eye. The lens epithelium responds to this clinically relevant wounding with a repair process that closely mimics that which occurs in vivo, and shares features with wound repair in other epithelial tissues2,4. While the protocol is straightforward and simple to follow, performing mock cataract surgery with embryoni…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work was supported by National Institutes of Health Grant to A.S.M. (EY021784).
Materials
| Sodium Chloride (NaCl) | Fisher Scientific | S271-3 | Use at 140mM in TD Buffer |
| Potassium Chloride (KCl) | Fisher Scientific | P217-500 | Use at 5mM in TD Buffer |
| Sodium Phosphate (Na2HPO4) | Sigma | S0876 | Use at .7mM in TD Buffer |
| D-glucose (Dextrose) | Fisher Scientific | D16-500 | Use at 0.5mM in TD Buffer |
| Tris Base | Fisher Scientific | BP152-1 | Use at 8.25mM in TD Buffer |
| Hydrochloric acid | Fisher Scientific | A144-500 | Use to pH TD buffer to 7.4 |
| Media 199 | GIBCO | 11150-059 | |
| L-glutamine | Corning/CellGro | 25-005-CI | Use at 1% in Media199 |
| Penicillin/streptomycin | Corning/CellGro | 30-002-CI | Use at 1% in Media199 |
| 100mm petri dishes | Fisher Scientific | FB0875711Z | |
| Stericup Filter Unit | Millipore | SCGPU01RE | Use to filter sterilize Media |
| Dumont #5 forceps (need 2) | Fine Science Tools | 11251-20 | |
| 35mm Cell Culture Dish | Corning | 430165 | |
| 27 Gauge 1mL SlipTip with precision glide needle | BD | 309623 | |
| Fine Scissors | Fine Science Tools | 14058-11 | |
| Standard Forceps | Fine Science Tools | 91100-12 | |
| Other Items Needed: General dissection instruments, fertile white leghorn chicken eggs, | |||
| check egg incubator (humidified, 37.7°C), laminar flow hood, binocular stereovision dissecting | |||
| microscope | |||
References
- Walker, J. L., et al. Unique precursors for the mesenchymal cells involved in injury response and fibrosis. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 107, 13730-13735 (2010).
- Friedl, P., Gilmour, D. Collective cell migration in morphogenesis, regeneration and cancer. Nature reviews. Molecular cell biology. 10, 445-457 (2009).
- Riahi, R., Yang, Y., Zhang, D. D., Wong, P. K. Advances in wound-healing assays for probing collective cell migration. Journal of laboratory automation. 17, 59-65 (2012).
- Khalil, A. A., Friedl, P. Determinants of leader cells in collective cell migration. Integrative biology : quantitative biosciences from nano to macro. 2, 568-574 (2010).
- Walker, J. L., Wolff, I. M., Zhang, L., Menko, A. S. Activation of SRC kinases signals induction of posterior capsule opacification. Investigative ophthalmology & visual science. 48, 2214-2223 (2007).
- Sta Iglesia, D. D., Stepp, M. A. Disruption of the basement membrane after corneal debridement. Investigative ophthalmology & visual science. 41, 1045-1053 (2000).
- Pal-Ghosh, S., Pajoohesh-Ganji, A., Brown, M., Stepp, M. A. A mouse model for the study of recurrent corneal epithelial erosions: alpha9beta1 integrin implicated in progression of the disease. Investigative ophthalmology & visual science. 45, 1775-1788 (2004).
- Pal-Ghosh, S., Pajoohesh-Ganji, A., Tadvalkar, G., Stepp, M. A. Removal of the basement membrane enhances corneal wound healing. Experimental eye research. 93, 927-936 (2011).
- Stepp, M. A., et al. Wounding the cornea to learn how it heals. Experimental eye research. 121, 178-193 (2014).
- Kuwabara, T., Perkins, D. G., Cogan, D. G. Sliding of the epithelium in experimental corneal wounds. Investigative ophthalmology. 15, 4-14 (1976).
- Sherrard, E. S. The corneal endothelium in vivo: its response to mild trauma. Experimental eye research. 22, 347-357 (1976).
- Stramer, B. M., Zieske, J. D., Jung, J. C., Austin, J. S., Fini, M. E. Molecular mechanisms controlling the fibrotic repair phenotype in cornea: implications for surgical outcomes. Investigative ophthalmology & visual science. 44, 4237-4246 (2003).
- Escamez, M. J., et al. An in vivo model of wound healing in genetically modified skin-humanized mice. The Journal of investigative dermatology. 123, 1182-1191 (2004).
- Werner, S., Breeden, M., Hubner, G., Greenhalgh, D. G., Longaker, M. T. Induction of keratinocyte growth factor expression is reduced and delayed during wound healing in the genetically diabetic mouse. The Journal of investigative dermatology. 103, 469-473 (1994).
- Tarin, D., Croft, C. B. Ultrastructural studies of wound healing in mouse skin. II. Dermo-epidermal interrelationships. Journal of anatomy. 106, 79-91 (1970).
- Croft, C. B., Tarin, D. Ultrastructural studies of wound healing in mouse skin I. Epithelial behaviour. Journal of anatomy. 106, 63-77 (1970).
- Winstanley, E. W. The epithelial reaction in the healing of excised cutaneous wounds in the dog. Journal of comparative pathology. 85, 61-75 (1975).
- Wormstone, I. M., Wride, M. A. The ocular lens: a classic model for development, physiology and disease. Philosophical transactions of the Royal Society of London. Series B, Biological. 366, 1190-1192 (2011).
- Danysh, B. P., Duncan, M. K. The lens capsule. Experimental eye research. 88, 151-164 (2009).
- Awasthi, N., Guo, S., Wagner, B. J. Posterior capsular opacification: a problem reduced but not yet eradicated. Archives of ophthalmology. 127, 555-562 (2009).
- Walker, T. D. Pharmacological attempts to reduce posterior capsule opacification after cataract surgery–a review. Clinical & experimental ophthalmology. 36, 883-890 (2008).
- Schmidbauer, J. M., et al. Posterior capsule opacification. International ophthalmology clinics. 41, 109-131 (2001).
- Menko, A. S., et al. A central role for vimentin in regulating repair function during healing of the lens epithelium. Molecular biology of the cell. 25, 776-790 (2014).
- Chauss, D., et al. Differentiation state-specific mitochondrial dynamic regulatory networks are revealed by global transcriptional analysis of the developing chicken lens. G3 (Bethesda). 4, 1515-1527 (2014).
- Leonard, M., Zhang, L., Bleaken, B. M., Menko, A. S. Distinct roles for N-Cadherin linked c-Src and fyn kinases in lens development. Developmental dynamics : an official publication of the American Association of Anatomists. 242, 469-484 (2013).
- Sieg, D. J., et al. FAK integrates growth-factor and integrin signals to promote cell migration. Nature cell biology. 2, 249-256 (2000).
- Sieg, D. J., Hauck, C. R., Schlaepfer, D. D. Required role of focal adhesion kinase (FAK) for integrin-stimulated cell migration. Journal of cell science. 112 (Pt 16), 2677-2691 (1999).
- Hauck, C. R., Hsia, D. A., Schlaepfer, D. D. The focal adhesion kinase–a regulator of cell migration and invasion). IUBMB life. 53, 115-119 (2002).
- Zhao, X., Guan, J. L. Focal adhesion kinase and its signaling pathways in cell migration and angiogenesis. Advanced drug delivery reviews. 63, 610-615 (2011).
- Menko, A. S., Bleaken, B. M., Walker, J. L. Regional-specific alterations in cell-cell junctions, cytoskeletal networks and myosin-mediated mechanical cues coordinate collectivity of movement of epithelial cells in response to injury. Experimental cell research. 322, 133-148 (2014).
- Martin, P. Wound healing–aiming for perfect skin regeneration. Science. 276, 75-81 (1997).
- Ferguson, M. W., O’Kane, S. Scar-free healing: from embryonic mechanisms to adult therapeutic intervention. Philosophical transactions of the Royal Society of London. Series B, Biological. 359, 839-850 (2004).
- Redd, M. J., Cooper, L., Wood, W., Stramer, B., Martin, P. Wound healing and inflammation: embryos reveal the way to perfect repair. Philosophical transactions of the Royal Society of London. Series B, Biological. 359, 777-784 (2004).
- Nodder, S., Martin, P. Wound healing in embryos: a review. Anatomy and embryology. 195, 215-228 (1997).
- Gurtner, G. C., Werner, S., Barrandon, Y., Longaker, M. T. Wound repair and regeneration. Nature. 453, 314-321 (2008).
