Netvliesprothesen hebben het vermogen om visuele waarnemingen te genereren. Om de ontwikkeling van nieuwe prothesen te bevorderen, zijn ex vivo-methoden nodig om apparaten te testen voordat ze worden geïmplanteerd. Dit artikel biedt een uitgebreid protocol voor het bestuderen van calciumactiviteit in de retinale ganglioncellaag bij blootstelling aan elektrische stimulatie.
Netvliesdystrofieën zijn wereldwijd een belangrijke oorzaak van blindheid. Er worden uitgebreide inspanningen geleverd om geavanceerde netvliesprothesen te ontwikkelen die de aangetaste lichtgevoelige fotoreceptorcellen in het gedegenereerde netvlies kunnen omzeilen, met als doel het gezichtsvermogen gedeeltelijk te herstellen door visuele waarnemingen te induceren. Een veelgebruikte onderzoeksrichting is het ontwerp en de productie van implanteerbare apparaten met een flexibele fysieke structuur, waarin een groot aantal elektroden is ondergebracht. Dit maakt het mogelijk om efficiënt en nauwkeurig visuele waarnemingen te genereren. Bij elke technologische vooruitgang ontstaat er echter behoefte aan een betrouwbare en beheersbare ex vivo-methode om de functionaliteit van het apparaat te verifiëren voordat wordt overgegaan tot in-vivo-experimenten , waarbij factoren buiten de prestaties van het apparaat een rol spelen. Dit artikel presenteert een uitgebreid protocol voor het bestuderen van calciumactiviteit in de retinale ganglioncellaag (GCL) na elektrische stimulatie. In het bijzonder worden de volgende stappen geschetst: (1) het fluorescerend labelen van het netvlies van de rat met behulp van genetisch gecodeerde calciumindicatoren, (2) het opvangen van het fluorescentiesignaal met behulp van een omgekeerde fluorescentiemicroscoop terwijl verschillende patronen van elektrische stimulatie worden toegepast, en (3) het extraheren en analyseren van de calciumsporen uit individuele cellen binnen de GCL. Door deze procedure te volgen, kunnen onderzoekers efficiënt nieuwe stimulatieprotocollen testen voordat ze in vivo experimenten uitvoeren.
Het netvlies bevat fotoreceptoren, dit zijn cellen die verantwoordelijk zijn voor het waarnemen van licht. Ze vangen fotonen op en zetten ze om in zenuwimpulsen. Deze impulsen worden vervolgens verwerkt in het netvlies en doorgegeven aan de visuele cortex, wat resulteert in de vorming van een visueel beeld1. Retinitis Pigmentosa (RP) en leeftijdsgebonden maculadegeneratie (AMD) zijn degeneratieve ziekten die worden gekenmerkt door het progressieve verlies van fotoreceptoren. Deze retinopathieënbehoren wereldwijd tot de belangrijkste oorzaken van blindheid1, treffen miljoenen mensen en hebben aanzienlijke medische, persoonlijke en sociaaleconomische gevolgen voor patiënten, gezondheidszorgsystemen en de samenleving als geheel. Bovendien wordt verwacht dat AMD-gevallen met de vergrijzing van de bevolking tegen 2050 met 15% zullen toenemen2.
Momenteel zijn er tal van onderzoeksinspanningen aan de gang om het gezichtsvermogen te herstellen bij patiënten die aan deze aandoeningen lijden3. Een veelbelovende aanpak is het gebruik van netvliesprothesen, die effectief zijn gebleken bij het gedeeltelijk herstellen van het gezichtsvermogen 4,5. Deze apparaten vangen licht op van de visuele scène en zetten het om in elektrische pulsen. Deze pulsen worden afgegeven via elektroden in een micro-elektrode-array (MEA) die in het oog is geïmplanteerd, waardoor de overlevende neuronen worden gestimuleerd en de functie van de verloren fotoreceptoren wordt omzeild. De geactiveerde retinale ganglioncellen (RGC’s) geven de output door aan de hersenen, waar het wordt geïnterpreteerd als visuele waarneming. De belangrijkste beperkingen van de huidige implantaten liggen echter in de resolutie van de elektrode-weefselinterface6 en de niet-selectieve stimulatie van verschillende celtypen. Om het ontwerp van nieuwe implanteerbare apparaten voor een efficiënter herstel van het gezichtsvermogen te optimaliseren, is het daarom van cruciaal belang om te begrijpen hoe stimulatieparadigma’s kunnen worden ontwikkeld om selectief cellen in de nabijheid van de elektroden te activeren.
Calciumbeeldvorming is een veelgebruikte techniek voor het bestuderen van neurale activiteit en biedt verschillende voordelen ten opzichte van niet-optische methoden 7,8. Ten eerste biedt het cellulaire en subcellulaire resolutie. Ten tweede kunnen calciummarkers zich richten op specifieke celtypen. Ten derde maakt het het mogelijk om op lange termijn te volgen, en ten vierde maakt het de observatie van hele celpopulaties mogelijk terwijl onderscheid wordt gemaakt tussen actieve en inactieve cellen. Deze methode levert indirect bewijs van cellulaire activiteit met een temporele resolutie in het bereik van honderden milliseconden. Genetisch gecodeerde fluorescerende calciumindicatoren, zoals GCaMP-sensoren, ondergaan een conformatieverandering bij binding aan calcium, wat resulteert in verhoogde fluorescentie9. Recombinante adeno-geassocieerde virale vectoren (AAV’s) zijn een effectief middel om retinale cellen te transduceren met GCaMP10.
Dit protocol presenteert een efficiënte methode die calciumbeeldvorming gebruikt voor het testen van stimulatieprotocollen van retinale implantaten. In het bijzonder richten we ons op ex vivo netvliesweefsel van ratten en geven we gedetailleerde stapsgewijze instructies, van monsteracquisitie tot data-analyse. Door deze uitgebreide gids aan te bieden, kunnen onderzoekers met verschillende achtergronden met vertrouwen beginnen met experimenten met elektrische stimulatie.
Het hier beschreven protocol dient om de calciumdynamiek te bestuderen die optreedt in de retinale GCL van de rat bij elektrische stimulatie die wordt toegediend met een MEA. Het is een betrouwbare en beheersbare methode, maar vereist enige training, met name om de GCL efficiënt uniform te labelen en om het netvlies op de juiste manier te monteren om een optimaal contact tussen weefsel en elektrode te garanderen. Dit protocol is specifiek voor knaagdieren en moet worden aangepast als het wordt toegepast op een andere laboratoriumsoort. De kritieke punten, wijzigingen en beperkingen van de methodologie worden in detail gepresenteerd.
Intravitreale injecties
Injecties worden veel gebruikt voor oculaire genafgifte, waarbij intravitreale injecties de voorkeursprocedure zijn. Het is bewezen dat ze veiliger en minder invasief zijn in vergelijking met subretinale injecties, waarbij de moleculen van belang rechtstreeks tussen de fotoreceptoren en het retinale pigmentepitheel (RPE) worden geïntroduceerd, waardoor netvliesloslating wordt geriskeerd10. Er zijn echter beperkingen, vooral bij het uitvoeren van deze injecties in knaagdiermodellen. Het glasvocht is gelatineachtig en belemmert de virale verspreiding. Bovendien is de lens in knaagdierogen groot, waardoor het niet triviaal is om de naald in te brengen zonder er krassen op te maken. De precisienaalden van de spuit zijn delicaat en moeten vaak worden vervangen. Om obstructie te voorkomen, wast u ze voor en na elk gebruik met gedeïoniseerd water en vervangt u ze regelmatig. Injecteer de inhoud bovendien langzaam om reflux van de oplossing en veranderingen in de intraoculaire druk te voorkomen. Het bereiken van een grote en uniforme fluorescentie over het netvlies kan oefening vergen.
Transductie van netvliescellen
Virale vectoren zijn een uitstekende methode voor in vivo genafgifte, en AAV’s worden veel gebruikt voor het transduceren van netvliescellen10. Ze zijn goedgekeurd als behandeling voor sommige retinopathieën die blindheid bij de mens veroorzaken24. Hun draagcapaciteit is echter beperkt tot 5 kb, met inbegrip van de vereiste regelgevingselementen (bv. de promotor)10,25. Er zijn meerdere serotypen beschikbaar, elk met een ander tropisme. Kies de meest geschikte AAV op basis van de af te leveren genen en de te transduceren cellen26. Voor het labelen van de RGC’s wordt aanbevolen om AAV227 te gebruiken.
Het venster van de genexpressie
De optimale virale expressie voor AAV2-CAG-GCaMP5G is 2 tot 3 weken na injectie12,18. Na dat tijdsbestek worden de kernen van getransfecteerde cellen fluorescerend, reageren cellen niet meer op stimuli en sterven ze uiteindelijk 7,28,29. Dit komt door de overexpressie van de GCaMP-indicator, die in de kern wordt getransloceerd. Het tijdvenster voor optimale genexpressie is afhankelijk van de virale vector en de gekozen promotor30 en moet experimenteel worden bepaald voordat verder wordt gegaan met dit protocol.
Contact tussen weefsel en elektrode
Voor optimale en reproduceerbare resultaten is een goed contact tussen weefsel en elektrode cruciaal. Slecht contact is meestal te wijten aan de natuurlijke kromming van het netvlies. Een benadering is om het netvlies in vieren te snijden, sectie voor sectie te monteren en af te beelden. Kleine delen van het netvlies kunnen beter worden afgeplat, wat resulteert in een effectiever contact met het oppervlak van de MEA. Een andere mogelijke reden voor slecht contact is de aanwezigheid van glasvocht. Bij het uitvoeren van stimulatie-experimenten die een epi-retinaal implantaat simuleren, is het belangrijk om het glasvocht voorzichtig te verwijderen tijdens retina-excisie, omdat het kan fungeren als een isolator voor stroom. Hier wordt een eenvoudige methode beschreven om te controleren of het contact voldoende is door de elektrode en cellen in hetzelfde brandpuntsvlak te visualiseren.
Een alternatief voor ex vivo netvliesmetingen is om neuronen direct op het oppervlak van de elektroden te laten groeien. Primaire kweek van neuronen, zoals hippocampusneuronen31, kan nuttig zijn voor de eerste tests om de functionaliteit van het nieuwe stimulerende apparaat te evalueren. Deze aanpak vereist echter nog steeds het gebruik van proefdieren en vertegenwoordigt niet de complexiteit van het netvliesnetwerk, wat belangrijk is voor het evalueren van synaptische reacties op stimulatie.
Om de cellen onder de elektrode en elektrodesporen te visualiseren, kunnen MEA’s worden gebruikt die zijn vervaardigd met transparante materialen zoals indiumtinoxide (ITO) 19,20,32. Naast optische metingen kan GCL-activiteit bij elektrische stimulatie worden beoordeeld door middel van elektrische opnames. De MEA kan worden gebruikt om de lokale veldpotentiaal (LFP) van het weefsel vast te leggen. Dit gaat echter ten koste van de ruimtelijke resolutie, aangezien elke elektrode activiteit van meerdere cellen tegelijk vastlegt (afhankelijk van de afmetingen van de elektrode). Optische opname overwint deze beperking en biedt kaarten met een hogere ruimtelijke resolutie. Het belangrijkste voordeel is de mogelijkheid om onderscheid te maken tussen actieve en inactieve cellen terwijl een groot gezichtsveld wordt gemeten met een resolutie van één cel. Van alle cellulaire activiteitsverslaggevers zijn calciumindicatoren goed beschreven en worden ze het meestgebruikt33.
The authors have nothing to disclose.
We zijn Merche Rivas, Angel Sandoval, Jesús Planagumà, Jordi Cortés, Sandra Ortonobés Lara en Alina Hirschmann (ICFO-Institut de Ciències Fotòniques) dankbaar voor hun technische ondersteuning, Anna Duarri (VHIR, Vall d’Hebron Institute of Research) van de Ophthalmology Research group voor hun ondersteuning bij de intravitreale injecties en de in vivo beeldvorming van het netvlies.
De financieringsentiteiten die dit werk hebben ondersteund zijn: Fundació CELLEX; Fundació Mir-Puig; Ministerio de Economía y Competitividad – Severo Ochoa-programma voor kenniscentra op het gebied van O&O (CEX2019-000910-S, [MCIN/AEI/10.13039/501100011033]); Generalitat de Catalunya via het CERCA-programma; Laserlab-Europe (EU-H2020 GA nr. 871124); Stichting La Caixa (LCF/HR19/52160003); en Fondo Social Europeo (PRE2020-095721, M.C.).
20x NA 0.75 S Fluor air objective | Nikon | CFI Super Fluor 20X | – |
3.5 cm Cell culture dish | Nunc | 12-565-90 | – |
30 G needle | VWR | 613-5373 | – |
36 G blunt needle | World Precision Instruments | NF36BL-2 | – |
6 cm Cell culture dish | Nunc | 12-565-94 | – |
AAV2-CAG-GCaMP5G | Vector Biolabs | – | – |
Ames' Medium | Sigma Aldrich | A1420 | – |
Blade | Swann-morton | 0308 | – |
Camera | Hamamatsu | ORCA Flash v4.0 | – |
Carbogen | Air liquide | – | – |
Curved-forceps | – | – | – |
Fine spring-scissors | FST | 91501-09 | – |
FITC filter cube | Nikon | Standard series | – |
Fluorescent lamp | Nikon | C-HGFI | – |
Fluorescent stereomicroscope | Nikon | SMZ25 | – |
HBSS | Capricorn | HBSS-1A | – |
ImageJ/FIJI | NIH | v1.50i | – |
In vivo retinal imaging system | Phoenix Research Laboratories | Micron III | – |
Inverted fluorescence microscope | Nikon | Eclipse Ti | – |
Isofluorane | Arrane Baxter Laboratories | – | – |
Long-Evans rat | Janvier | – | – |
MATLAB (Version R2021b) | Mathworks | – | – |
Media filters | Merckmillipore | SCGPS02RE | – |
Methocel 2% | Omni Vision | – | – |
Microelectrode array (MEA) | – | Custom-made | |
NaHCO3 | Thermofisher | 42427 | – |
Penicillin/Streptomycin 100x | Thermofisher | 15140122 | – |
Phenylephrine | Alcon Cusí Laboratories | 653437.3 | 100 mg/mL |
Plastic pipette | VWR | 612-1793 | – |
Porous membrane | Merckmillipore | #JVWP01300 | – |
Precision syringe | World Precision Instruments | 10 µl Nanofil | – |
Prescaina | Llorens | – | Oxybuprocaine chlorhydrate (2 mg/mL), local anesthetic |
Rat nasal mask | Xenotec | XRK-RA | – |
Small curved-forceps | Bbraun | AESCBD311R | – |
Spring-scissors | FST | 15040-11 | – |
Stereo microscope | Zeiss | Stemi 2000 | – |
Straight forceps | FST | 11252-20 | – |
Suture filament | Vitrex Medical | 4328 | Nilon monofilament, 7/0, DS12 |
Tobradex | Alcon Cusí Laboratories | – | Tobramycin (3 mg/mL) and dexamethasone (1 mg/mL) |
Tropicamide | Alcon Cusí Laboratories | 653486 | 10 mg/mL |
Washer | Thorlabs | W8S038 | – |