Translaminares autonomes Systemmodell zur Modulation des intraokularen und intrakraniellen Drucks in menschlichen spenderseitigen Segmenten

Globale Schätzungen in jüngsten Umfragen deuten darauf hin, dass 285 Millionen Menschen mit Sehbehinderung leben, darunter 39 Millionen, die blind ^sind1. Im Jahr 2010 dokumentierte die Weltgesundheitsorganisation, dass drei der neun aufgeführten Hauptursachen für Erblindung im hinteren Segment des Auges ^auftreten1. Augenerkrankungen des hinteren Segments betreffen die Netzhaut, die Aderhaut und den ^Sehnerv2. Die Netzhaut und der Sehnerv sind Erweiterungen des Gehirns des zentralen Nervensystems (ZNS). Die Axone der retinalen Ganglienzellen (RGC) sind anfällig für Schäden, da sie das Auge durch den Sehnervenkopf (ONH) verlassen, um den Sehnerv zu ^bilden3. Das ONH bleibt der anfälligste Punkt für die RGC-Axone aufgrund des 3D-Geflechts von Bindegewebsstrahlen, die als Lamina cribrosa (LC)⁴ bezeichnet werden. Das ONH ist der erste Ort der Beleidigung von RGC-Axonen bei Glaukom5,6,7, und Genexpressionsänderungen innerhalb des ONH wurden in okulären Hypertonie- und Glaukommodellen untersucht8,9,10. Die RGC-Axone sind am ONH aufgrund von Druckunterschieden zwischen dem intraokularen Kompartiment, dem sogenannten Augeninnendruck (IOP), und innerhalb des externen perioptischen Subarachnoidalraums, dem sogenannten intrakraniellen Druck (ICP)¹¹, anfällig. Der LC-Bereich trennt beide Bereiche unter Beibehaltung der normalen Druckunterschiede, wobei der IOD zwischen 10 und 21 mmHg und der ICP zwischen 5 und 15 ^{mmHg12 liegt}. Die Druckdifferenz durch die Lamelle zwischen den beiden Kammern wird als translaminarer Druckgradient (TLPG)¹³ bezeichnet. Ein Hauptrisikofaktor des Glaukoms ist ein erhöhter ^IOP14.

Ein erhöhter IOD erhöht die Belastung innerhalb und über die laminare Region6,15,16. Experimentelle Beobachtungen in Menschen- und Tiermodellen stellen das ONH als den ersten Ort axonaler Schäden ^dar17,18. Das biomechanische Paradigma des IOD-bedingten Stresses und der Belastung, die am ONH glaukomatöse Schäden verursachen, beeinflusst auch die Pathophysiologie des Glaukoms19,20,21. Obwohl beim Menschen druckbedingte Veränderungen die RGC-Axone mechanisch ^{schädigen22,} können Nagetiere, denen kollagene Platten in der Lamina fehlen, auch ein Glaukom ^{entwickeln7,23}. Darüber hinaus bleibt ein erhöhter IOD der prominenteste Risikofaktor bei Patienten mit primärem Offenwinkelglaukom, während normale Spannungsglaukompatienten auch ohne erhöhten IOD eine glaukomatöse Optikusneuropathie entwickeln. Darüber hinaus gibt es auch eine Untergruppe von okulären hypertensiven Patienten, die keine Sehnervenschädigung zeigen. Es wurde auch vorgeschlagen, dass der Liquordruck (CSFp) eine Rolle bei der Glaukompathogenese spielen kann. Es gibt Hinweise darauf, dass der ICP bei Glaukompatienten im Vergleich zu normalen Personen auf ~ 5 mmHg gesenkt wird, wodurch ein erhöhter translaminarer Druck verursacht wird und eine entscheidende Rolle bei der Erkrankung ^spielt24,25. Zuvor wurde in einem Hundemodell gezeigt, dass es durch die Kontrolle von IOP- und CSFp-Änderungen zu großen Verschiebungen der optischen ^{Disc26 kommen} kann. Die Erhöhung des LIQUOR in den Augen von Schweinen hat auch eine erhöhte Hauptbelastung innerhalb der LC-Region und des retrolaminaren Nervengewebes gezeigt. Eine erhöhte Belastung der RGCs und der LC-Region trägt zur axonalen Transportblockade und zum Verlust von RGCs ^bei27. Die fortschreitende Degeneration von RGCs wurde mit dem Verlust der trophischen ^{Unterstützung28,29}, der Stimulation von Entzündungsprozessen/^{Immunregulation30,31} und apoptotischen Effektoren in Verbindung gebracht29,32,33,34,35. Darüber hinaus verursacht eine axonale Verletzung (Abbildung 3) schädliche Auswirkungen auf die RGCs und löst ein regeneratives Versagen ^{aus36,37,38,39}. Obwohl die Auswirkungen von IOD gut untersucht wurden, wurden nur minimale Untersuchungen zu abnormalen translaminaren Druckänderungen durchgeführt. Die meisten Behandlungen für Glaukom konzentrieren sich auf die Stabilisierung des IOD. Obwohl die Senkung des IOD das Fortschreiten der Krankheit verlangsamt, kehrt sie den Gesichtsfeldverlust nicht um und verhindert den vollständigen Verlust von RGCs. Das Verständnis druckbedingter neurodegenerativer Veränderungen des Glaukoms wird entscheidend sein, um den Tod durch RGC zu verhindern.

Aktuelle Erkenntnisse deuten darauf hin, dass translaminare Druckmodulationen aufgrund verschiedener mechanischer, biologischer oder physiologischer Veränderungen bei Patienten mit traumatischen oder neurodegenerativen Sehstörungen zu einem erheblichen Sehverlust führen können. Derzeit existiert kein echtes präklinisches modell für das menschliche hintere Segment, das die Untersuchung von glaukomatösen biomechanischen Schäden innerhalb des ex vivo humanen ONH ermöglichen könnte. Die Beobachtung und Behandlung des hinteren Augenabschnitts ist eine große Herausforderung in der ^{Augenheilkunde27}. Es gibt physikalische und biologische Barrieren, die auf das hintere Auge abzielen, einschließlich hoher Eliminationsraten, Blut-Netzhaut-Barriere und potenzieller immunologischer ^Reaktionen40. Die meisten Wirksamkeits- und Sicherheitstests für neuartige Wirkstoffziele werden unter Verwendung von In-vitro-Zell- und In-vivo-Tiermodellen ^{durchgeführt41}. Die Augenanatomie ist komplex, und In-vitro-Studien ahmen die anatomischen und physiologischen Barrieren von Gewebemodellsystemen nicht genau nach. Obwohl Tiermodelle eine Notwendigkeit für pharmakokinetische Studien sind, kann die Augenphysiologie des menschlichen hinteren Auges zwischen verschiedenen Tierarten variieren, einschließlich der zellulären Anatomie der Netzhaut, des Gefäßsystems und ^ONH41,42.

Die Verwendung lebender Tiere erfordert intensive und detaillierte ethische Vorschriften, ein hohes finanzielles Engagement und eine effektive Reproduzierbarkeit43. In jüngster Zeit sind mehrere weitere Richtlinien für die ethische Verwendung von Tieren in der experimentellen Forschung entstanden44,45,46. Eine Alternative zu Tierversuchen ist die Verwendung von Ex-vivo-Modellen des menschlichen Auges zur Untersuchung der Krankheitspathogenese und der Potenzialanalyse von Arzneimitteln zum Schutz von ONH-Schäden. Menschliches postmortales Gewebe ist eine wertvolle Ressource für die Untersuchung menschlicher Krankheitsparadigmen, insbesondere im Fall von humanen neurodegenerativen Erkrankungen, da die Identifizierung potenzieller Medikamente, die in Tiermodellen entwickelt wurden, die Notwendigkeit erfordert, auf den Menschen übertragbar zu ^sein47. Das menschliche Ex-vivo-Spendergewebe wurde umfassend für die Untersuchung menschlicher Störungen verwendet47,48,49, und menschliche Perfusionsorgankultursysteme für das vordere Segment haben zuvor ein einzigartiges Ex-vivo-Modell zur Untersuchung der Pathophysiologie von erhöhtem IOP50,51,52 bereitgestellt.

Um den translaminaren Druck im Zusammenhang mit IOD und ICP im menschlichen Auge zu untersuchen, haben wir erfolgreich ein translaminares autonomes Zweikammersystem (TAS) entworfen und entwickelt, das IOD und ICP unabhängig voneinander regulieren kann, indem wir posteriore Segmente von menschlichen Spenderaugen verwenden. Es ist das erste Ex-vivo-Humanmodell, das den translaminaren Druck untersucht und die biomechanischen Wirkungen von TLPG auf das ONH nutzt.

Dieses ex vivo humane TAS-Modell kann verwendet werden, um zelluläre und funktionelle Modifikationen zu entdecken und zu klassifizieren, die aufgrund einer chronischen Erhöhung von IOD oder ICP auftreten. In diesem Bericht beschreiben wir das Schritt-für-Schritt-Protokoll zum Sezieren, Einrichten und Überwachen des TAS-Modells des menschlichen hinteren Segments. Das Protokoll wird es anderen Forschern ermöglichen, dieses neuartige Ex-vivo-Druckmodell des menschlichen hinteren Segments effektiv zu reproduzieren, um die pathogenese biomechanischer Erkrankungen zu untersuchen.