Techniken zur Visualisierung von retinalen Zytoarchitektur direkt an einzelnen Elektroden innerhalb eines Retina-Stimulator.
Mit der jüngsten Entwicklung von Retina-Prothesen, ist es wichtig, zuverlässige Techniken für die Beurteilung der Sicherheit dieser Geräte in präklinischen Studien zu entwickeln. Allerdings sind die Standard-Fixierung, Vorbereitung und automatisierte Histologie Verfahren nicht ideal. Hier beschreiben wir neue Verfahren für die Bewertung der Gesundheit der Retina direkt benachbart zu einem Implantat. Retinal Prothesen verfügen Elektroden-Arrays in Kontakt mit Auge Gewebe. Bisherige Verfahren waren nicht in der Lage, räumlich zu lokalisieren Augengewebe benachbarten einzelnen Elektroden in der Anordnung. Darüber hinaus Standard histologischen Verarbeitung oft zu grob artifactual Ablösung der Netzhaut Schichten bei der Beurteilung implantierten Augen. Folglich ist es schwierig gewesen, um lokalisierte Schadens, falls vorhanden, die durch Implantation und Stimulierung einer implantierten Elektrodenanordnung. Daher entwickelten wir ein Verfahren zur Identifizierung und Lokalisierung der Okulargewebe neben implantiert electrodes mit einem (farblich gekennzeichnet) Farbstoff Benotungsschema und modifizierten wir ein Auge Fixationstechnik zu artifactual Netzhautablösung minimieren. Auch dieses Verfahren machte die Sklera durchscheinend, so dass Lokalisierung von einzelnen Elektroden und bestimmte Teile eines Implantats. Schließlich haben wir eine angepasste Steuerung, um die Macht der histopathologischen Bewertungen zu erhöhen. Zusammenfassend ermöglicht dieses Verfahren eine zuverlässige und effiziente Diskriminierung und Auswertung der retinalen Cytoarchitektur in einem implantierten Auge.
Retinal Prothesen könnten bald nützliche klinische Interventionen werden zur Behandlung von verschiedenen Formen der schweren Sehverlust. Bestimmte Bedingungen, wie Retinitis pigmentosa (RP), Ergebnis in der weitverbreiteten Degeneration der Photorezeptoren im Auge, das sind die Zellen, die zur Umwandlung von Licht in neuronale Signale. Jedoch bleiben einige Zellen in anderen Schichten der Netzhaut und sind potentielle Ziele für die elektrische Stimulation mit einem Netzhautprothese 1. Erste Ergebnisse von klinischen Studien am Menschen haben für Elektroden-Arrays im epiretinalen 2,3, 4,5 subretinalen implantiert und intraskleralen 6 Standorten waren vielversprechend. Diese Geräte sind aus verschiedenen Materialien mit unterschiedlichen Formen, aber sie alle verwenden elektrische Impulse, um die restlichen lebensfähigen Neuronen der Netzhaut zu aktivieren, um visuelle Wahrnehmungen zu erstellen.
Unsere größeren Gruppe (Bionic Vision Australia) hat ein Retina-Implantat, das progres entwickelt hatsed zu einer klinischen Pilotstudie mit 3 RP-Patienten mit suprachoroidalen Elektroden-Arrays (Clinical Trial Number: NCT01603576) implantiert. 1A zeigt diese suprachoroidalen Prototyp Netzhautprothese.
Patientensicherheit ist von größter Bedeutung in klinischen Studien und damit vor Beginn der Studien am Menschen, wir umfangreiche akuten und chronischen Tests durchgeführt in präklinischen Modellen (Abbildung 1B). Histopathologische Einschätzungen waren unerlässlich, um die chirurgischen Verfahren zu verfeinern, durchlaufen Elektroden-Konstruktion und letztlich zu etablieren, die Sicherheit des Implantats. Um einen effizienten Workflow mit üblichen klinischen Pathologie Praktiken verzahnt halten, wurde eine Einbettung in Paraffin-Technik eingesetzt. Es war auch wünschenswert, Färbeprozeduren vergleichbar mit klinischen Standards wie Hämatoxylin und Eosin (H & E), die leicht von den Pathologen interpretiert nutzen. Wir wollten auch eine Technik, die für immunhistochemische Analysen angepasst werden könnte, inum weiter zu erleichtern zellulären Auswertung der Gewebe.
Die Biokompatibilität des Implantats Materialien und die Sicherheit der chronischen elektrischen Stimulation, müssen sorgfältig geprüft werden. Es ist wichtig, in der Lage, die Histopathologie von dem Augengewebe benachbart zu den einzelnen stimulierenden Elektroden in der Anordnung zu prüfen. Jedoch benötigt die Arrays vor der Bearbeitung der Proben, so dass sie getestet werden kann entfernt werden, und weil ihre Metallkomponenten nicht leicht geschnitten. Folglich hat unsere etablierten Gewebeaufbereitung nicht zulassen Lokalisierung und Abbildung von Gewebe in Bezug auf den implantierten Elektroden 7. Neben dem Fehlen einer Gewebelokalisierung Verfahren führte die Standard-Formaldehyd-Basis Fixierung und Verarbeitungstechniken verbreitet Artefakte und Ablösung der Netzhaut durch die unterschiedliche Schrumpfung der verschiedenen Schichten des Auges (Abbildung 2). Aufgrund der Inhomogenität ter Netzhaut, war es schwierig, einen sinnvollen Vergleich mit Kontrollgewebe machen, besonders für quantitative Messungen. Diese kombinierten Einschränkungen erschwert eine genaue Beurteilung des potenziellen Schadens durch unsere implantiert Arrays verursacht.
Hier präsentieren wir neue Techniken zur Überwindung dieser Grenzen. Wir haben modifiziert spezialisierte Augenfixierung und Verarbeitungstechniken 8-10, um die Kompatibilität mit Paraffin-Basis Histologie halten. Wir haben Standard-histologische und immunhistochemische Färbungen modifiziert werden, um vergleichbare Ergebnisse zu geben, basierend auf dem Feedback aus der klinischen Pathologen. Nach dem Rendern der Skleralgewebe transluzent wurde ein Farbstoff-Farben-Code verwendet, um das Augengewebe benachbart zu jeder einzelnen Elektrode zu markieren, bevor die Anordnung aus dem Suprachoroidalraum. Durch Markieren des Elektroden-Array und die einzelnen Elektrode Websites könnten Proben genau von der Elektrode angrenzenden Regionen gesammelt werden. Abgestimmte Proben konnten von th gesammelt werdene Kontrolle Auge um paarweisen Vergleiche zu erleichtern.
Die Beurteilung der Sicherheit des Implantats ist eine wichtige Überlegung für die präklinischen Studien. Bevor ein Netzhautprothese in Menschen implantiert werden können ist es wichtig, zu überprüfen, dass es keinen Schaden anrichten. Dies erfordert eine Einschätzung sowohl des Implantats Biokompatibilität 17-23 sowie allen möglichen Schaden das könnte durch chronische elektrische Stimulation 24-26 verursacht werden. Die Erfahrungen mit ähnlichen neuronalen Prothesen, wie das Cochlea-Implantat, bietet einen Einblick in das breite Spektrum der Stimulation und körperliche Parameter, die nicht verursachen Gewebeschäden 27. Allerdings hat die Netzhaut unterschiedliche Eigenschaften auf andere Nidationsstellen und somit präzise Grenzwerte (z. B. maximale Ladungsdichte) kann nicht aus früheren Studien in anderen Systemen übernommen werden. Ladungsdichten am höchsten an der aktiven Elektrode Websites und dies entspricht mit dem größten Potenzial für Schäden. Daher ist ein Verfahren zur Lokalisierung der Gewebe direkt benachbartzu den einzelnen aktiven Elektroden stark erhöhen würde den Nutzen dieser Studien. Das Gewebe angrenzend an spezifische Bereiche des Implantats kann auch eine engere Kontrolle markiert. Dieser Ansatz ermöglicht gezielte weniger Abschnitte analysiert werden, unter Beibehaltung Vertrauen, dass das "worst case scenario" untersucht wurde.
Der Farbstoff skleralen Lokalisation hier beschriebene Verfahren wurde ausgiebig mit der Hand geformt und geformten Silikon / Pt-Elektrode Arrays 28-30 getestet. Es wurde mit Dünnschicht-Polyamid-Arrays 7,31 und auch Dünnschicht-Silikon / Pt-Arrays 32 verwendet worden. Einige Netzhautprothese Studien beschäftigt "kugelförmig" Elektroden mit intraskleralen Implantationen 33. Die vorliegende Technik sollten wirksam für die Bewertung dieser Art von Elektroden-Arrays. Feline Augen mit dünnen Lederhaut (Dicke am hinteren Pol 90 – 200 um) erlaubt die Visualisierung der einzelnen Elektroden in einem Array. Selbst wenn einzelne elektrodes nicht sichtbar waren, ihre Position leicht abgeleitet werden kann unter Verwendung einer Silikon-Vorlage, wenn die Kontur des Feldes zu sehen (ähnlich wie in Schritt 2.6 verwendet werden).
Der Farbstoff Mapping begrenzt die Notwendigkeit, nicht relevant Gewebeschnitten zu erhalten, da nur abschnittsweise mit dem Farbstoff erhalten werden. Die Fähigkeit, genau zu folgern Elektrodenposition ermöglicht nicht nur relevant histopathologischen Analyse und eine größere statistische Power, hat aber einen großen Einfluss auf Zeit-und Kostenmanagement durch die Reduzierung der Menge von Dias und Schaufeln sowie die Kosten der Arbeit verwendet. Die Verwendung von Farbstoff, der haftend ist und Gewebebehandlung während auch sichtbar in ungefärbten Gewebeschnitten widerstehen ist eine wichtige erste Überlegung. Kenntnis der Lage des Farbstoffs und Orientierung des Gewebes an Präparation und beim Einbetten unterstützt den Schneidvorgang. Dies beinhaltet richtig Ausrichten des Blocks, um einen Abschnitt, die nicht schräg geschnitten zu erreichen und bietet einen vollständigen Vertreterinnenauf der Gewebe. Es ist daher wichtig, dass die Person, die das Schneiden vorliegenden Zeitpunkt der Farbauftrag, Präparation und Einbettung.
Das gesamte Protokoll ist robust, um kleinere Änderungen, insbesondere mit Fixierung Timings. Allerdings sind das Auge Dissektion und Farbstoff Markierungsschritte schwierige Vorgänge, die Nutzen aus gute manuelle Geschicklichkeit, um eine Beschädigung der Probe. Während Davidson Fixativ hat sich bewährt zur Verringerung artifactual Netzhautablösung in der Nähe eines Implantats, ist es nicht zu verhindern direkte mechanische Beschädigung beim Präparieren. Davidson fixative war nicht ohne weiteres kompatibel mit einigen speziellen histologischen und immunhistochemischen Verfahren. Daher gab es eine Notwendigkeit zu ändern / optimieren diese Schritte wie oben beschrieben. Inkrementelle Änderungen in Färbung und Konzentrationen wurden bis das optimale Ergebnis erreicht wurde – für weitere Details finden Sie in den ergänzenden Materialien.
Quantifizierung der retinalenHistologie bleibt problematisch. Die Netzhaut nicht homogen ist und sowohl die Dicke und die Zelldichte ändern sich mit zunehmendem Abstand vom Bereich centralis 34,35. Daher kann benachbarte Gewebe im Auge implantiert nicht für Vergleiche verwendet werden und eine Kontrolle Auge statt beschäftigt. Paarweise passenden jedes Abschnitts mit der Steuerung Auge gibt uns einen stärkeren statistischen Vergleich der pathologischen Veränderungen, Wirksamkeit und Sicherheit Ergebnisse mit Retina-Prothesen werden besser beurteilt, wenn man die Augen in einem anderen Thema 36. Besondere Vorsicht ist geboten, um schräg schneiden zu minimieren, da dies Quantifizierung beeinflussen würde.
Zusammenfassend, die oben beschriebenen Verfahren haben unsere histopathologischen Analyse, was wiederum zu einer effizienteren präklinischen Workflow geführt verbessert. Die Ergebnisse der präklinischen Studien mit diesen Methoden führte direkt zu einer klinischen Studie, in der 3 RP-Patienten wurden sicher haben mit suprachoroi implantiertdal retinale Prothesen. Diese Methoden sind sowohl auf die Netzhaut und andere Stimulatoren Augenimplantaten wo die pathologische Reaktion auf langfristige Implantation muss ausgewertet werden. Diese Methode bereitgestellt lohnt Vorteile für die Aufrechterhaltung der Zytoarchitektur und Registrierung der Pathologie in Regionen von Interesse auf dem Implantat. Obwohl nicht spezifisch geprüft werden, eine Modifikation dieser Verfahren in anderen Spezies und anderen anatomischen Stellen verwendet werden, insbesondere, wo eine Reihe oberflächlich implantiert wird.
The authors have nothing to disclose.
Die Autoren danken: Frau Alexia Saunders und Frau Michelle McPhedran für experimentelle Unterstützung, Frau Helen Feng für Elektrodenherstellung; Dr. Penny Allen und Dr. Jonathan Yeoh für chirurgische Hilfe, Mitarbeiter des Royal Victorian Eye and Ear Hospital Biological Forschungszentrum für Tierpflege; Prof. Rob Shepherd für die allgemeine Beratung während und Dr. Bryony Nayagam und Herr Ronald Leung für kritische Anmerkungen zu dem Entwurf einer Form des Manuskripts.
Diese Arbeit wurde am Institut Bionics und St. Vincent Hospital, Melbourne durchgeführt. Die Finanzierung wurde von der Ian Potter-Stiftung, den John T Reid Charitable Trusts, und dem Australian Research Council durch ihre spezielle Research Initiative in Bionic Vision Science and Technology Zuschuss zu Bionic Vision Australia (BVA) zur Verfügung gestellt. Die Bionik-Institut würdigt die Unterstützung, die sie von der Regierung von Victoria durch ihre betriebliche Infrastruktur Support Program.
Name of the reagent | Company | Catalogue number | Comments (optional) |
The Davidson marking system | Bradley Products | 1163-4 – red 1163-5 – blue 1163-2 – yellow 1163-1- green | |
Rabbit Polyclonal Anti-Glial Fibrillary Acidic Protein Antibody | Millipore | AB5804 | 1:1500, overnight incubation |
Mouse Monoclonal Anti-Glutamine Synthetase Antibody | Millipore | MAB302 | 1:100 overnight incubation |
Monoclonal Mouse Anti-Neurofilament 200 Antibody | Sigma-Aldrich | N0142 | 1:100 overnight incubation |
4',6-diamindino-2-phenylindole, dilactate (dilactate) | Life Technologies | D3571 | 1:25,000 30 min incubation |
Alexa Fluor 488 goat anti-mouse IgG | Life Technologies | A11029 | 1:500 |
Superfrost 90° yellow | Grale Scientific | SF41299 | |
FLEX IHC Microscope Slides | DAKO | K802021-2 | |
Alexa Fluor 594 goat anti-rabbit IgG | Life Technologies | A11037 | 1:500 |
Normal goat serum | Life Technologies | PCN5000 | 10% serum/0.1% Triton X-100/PBS |
Non-Standard Solution Preparation for Special Stains 1% Aqueous Cresyl Violet Stock Solution
Cresyl Violet Acetate Working Solution
Biebrich Scarlet-Acid Fuchsin Solution
Phosphomolybdic-Phosphtungstic Acid Solution
Aniline Blue Solution
Solutions for Immunohistochemistry Wash Buffer Solution
Serum Block Solution
SUPPLEMENTARY MATERIAL Luxol Fast Blue The purpose of performing a Luxol Fast Blue (LFB) stain was to identify the ganglion cells in the ganglion cell layer through the counterstain of cresyl violet. While LFB stains myelin, the cresyl violet stain binds to the Nissl substances in neurons, composed of rough endoplasmic reticulum and ribosomes. Numerous cells in the retina contain Nissl substance including amacrine cells. These cells usually are located in the inner boundary layer of the inner nuclear layer, but displaced amacrine cells can be found in the ganglion cell layer. The staining of Nissl substance is helpful in differentiating large, heavily stained ganglion cells from smaller displaced amacrine cells. To aid visualisation of these cells, we modified the cresyl violet working solution protocol by increasing the volume of the cresyl violet stock solution in the working solution. We increased the volume in 1.0 ml increments from 6.0 ml to 9.0 ml, in turn reducing the volume of distilled water. Assessing the ease of visualising and identifying the ganglion cells, optimal staining was achieved with 9 ml of additional cresyl violet stock solution and 51 ml of distilled water. Cresyl violet is a basic dye, though to dye the Nissl substance, it is required to be used in an acidic solution, and therefore the volume of acetic acid remained unchanged at 0.5 ml. Periodic Acid Schiff The Periodic Acid Schiff (PAS) stain was performed to highlight polysaccharides especially glycogen, found in basement membranes and fungal cell walls, indicating a fungal infection. The process of the PAS stain is to oxidise the hydroxyl groups in polysaccharides using periodic acid, producing aldehyde groups. The application of the Schiff reagent, binds to the aldehyde groups producing a magenta color with haematoxylin counterstaining producing purple cell nuclei. Our slides showed weak staining at the inner limiting membrane. This may be due to the polysaccharides present, as not all polysaccharides can be oxidised with a standard time frame, especially those containing anionic polysaccharides. We therefore increased the duration of the oxidation step from 10 min to 12, 15, and 20 min. We found that a 15 min oxidation step was most effective in PAS staining. Masson’s Trichrome Blue The principle of the Masson's trichrome blue stain is to stain collagen and muscle, which in our retinal slides can be used to indicate an increase in collagen tissue which may indicate fibrosis due to injury. This stain is sensitive to fixation techniques, so alterations were needed to obtain optimal staining. The process of this stain is to initially stain cytoplasm and muscle fibres red using the acidic Biebrich scarlet-acid fuchsin red dye. Differentiation with phosphomolybdic/phosphotungstic acid competes with the red dye in the collagen fibres. In the sclera, the large phosphomolybdic/phosphotungstic acid molecules are able to penetrate the loose connective tissue, as opposed to the dense muscle fibres which are penetrable to small molecules only. Aniline blue dye is then applied to replace the acid in the collagen fibres producing blue dyed sclera. To optimise this stain in retinal sections, the duration of staining with Biebrich scarlet-acid fuchsin dye was reduced to create a balance between the blue and the red dye. The use of Davidson's fixative also required an extended differentiation time to remove the red dye from the collagen. We trialled differentiation at 5, 6, 8, and 10 min, with optimal results occurring at 6 min. Differentiation also varies on the thickness and cutting of smooth sections, with greater than 6 min differentiation possibly being required. Glial Fibrillary Acidic Protein (GFAP) Antibody Polyclonal, host species is rabbit, has a molecular weight of 50 kDa. GFAP antigen is an intermediate filament found in the cytoplasm (the cytoplasm of astrocytes and Müller cells in the retina), the antigen is made form 428 amino acids and has a molecular weight of 49512 Da. Neurofilament-200 antibody Monoclonal, host species is mouse, clone N52, isotype IgG1, it recognises phosphorylated and non-phosphorylated forms of the heavy neurofilaments which have a molecular weight of 200 kDa. The antibody will bind to an epitope in the tail domain of the neurofilament. The antibody will stain neurofilaments in the neuronal perikarya, dendrites and axons. Glutamine Synthetase (GS) antibody Monoclonal, clone GS-6, host species is mouse, has a molecular weight of 45 kDa and antibody isotype IgG2a. The GS antigen is found in the cell cytoplasm (cytoplasm of Müller cells in the retina), the antigen has 373 amino acids and a molecular weight of 42,064 Da. |