用于调节人类供体后段眼内压和颅内压的跨层自主系统模型

最近调查的全球估计表明，有2.85亿人患有视力障碍，其中包括3900万盲人¹。2010 年，世界卫生组织记录发现，列出的九个主要失明原因中有三个发生在眼睛后段¹。眼后段疾病累及视网膜、脉络膜和视神经²。视网膜和视神经是大脑的中枢神经系统（CNS）延伸。视网膜神经节细胞（RGC）轴突容易受到损伤，因为它们通过视神经头（ONH）离开眼睛形成视神经³。ONH仍然是RGC轴突最脆弱的点，因为结缔组织束的3D网格作用称为层状（LC）⁴。ONH是青光眼中RGC轴突损伤的初始部位^5，6，7，并且ONH内的基因表达变化已经在眼部高血压和青光眼模型中进行了研究^8，9，10。由于眼内隔室（称为眼内压 （IOP））和外眼周蛛网膜腔内（称为颅内压 （ICP））之间的压差，RGC 轴突在 ONH 处易感¹¹。LC区域将两个区域分开，保持正常的压差，IOP范围为10-21 mmHg，ICP范围为5-15 ^mmHg12。通过两个腔室之间层隙的压力差称为跨层压力梯度（TLPG）¹³。青光眼的一个主要危险因素是^IOP14升高。

增加的IOP会增加层流区域内和层流区域的应变^6，15，16。在人类和动物模型中的实验观察表明，ONH是轴突损伤的初始部位^17，18。在ONH引起青光眼损伤的IOP相关应力和应变的生物力学范式也影响青光眼的病理生理学^19，20，21。尽管在人类中，压力引起的变化会机械地损害RGC轴突²²，但叶片内缺乏胶原板的啮齿动物也可能发展为青光眼^7，23。此外，IOP 升高仍然是原发性开角型青光眼患者最突出的危险因素，而正常张力型青光眼患者即使没有 IOP 升高也会发生青光眼性视神经病变。此外，还有一部分眼部高血压患者没有视神经损伤。也有人提出，脑脊液压力（CSFp）可能在青光眼发病机制中发挥作用。有证据表明，与正常个体相比，青光眼患者的ICP降低至~5 mmHg，从而导致经层压升高，并在疾病中起关键作用^24，25。以前，在犬类模型中已经证明，通过控制IOP和CSFp的变化，视盘可以有很大的位移²⁶。猪眼中CSFp的升高也显示出LC区域和层后神经组织内的主要应变增加。RGC和LC区域的应变增加导致轴突运输阻塞和RGCs的损失²⁷。RGC 的进行性变性与营养支持的丧失^28，29、炎症过程/免疫调节刺激^30、31 和凋亡效应物^{有关29、32、33、34、35}。此外，轴突损伤（图3）对RGC造成不利影响，引发再生失败^{36，37，38，39}。尽管IOP的影响已经得到了很好的研究，但对异常的跨层压力变化进行了很少的研究。青光眼的大多数治疗方法都集中在稳定眼压上。然而，即使降低眼压可以减缓疾病的进展，它也不能逆转视野丧失并防止RGC的完全丧失。了解青光眼中与压力相关的神经退行性变化对于预防RGC死亡至关重要。

目前的证据表明，由于患有创伤性或神经退行性视力障碍的患者的各种机械，生物学或生理变化引起的跨层压力调节可导致显着的视力丧失。目前，没有真正的临床前人类后段模型可以研究离体人ONH内的青光眼生物力学损伤。观察和治疗眼睛的后段是眼科的巨大挑战²⁷。靶向后眼存在物理和生物屏障，包括高消除率、血视网膜屏障和潜在的免疫反应⁴⁰。新药靶标的大多数疗效和安全性测试都是利用体外细胞和体内动物模型⁴¹完成的。眼部解剖结构很复杂，体外研究不能准确地模拟组织模型系统呈现的解剖学和生理障碍。尽管动物模型是药代动力学研究的必要条件，但人类后眼的眼部生理学可能因各种动物物种而异，包括视网膜的细胞解剖结构，脉管系统和^ONH41，42。

使用活体动物需要密集而详细的道德法规、高度的财务承诺和有效的可重复性⁴³。最近，在实验研究中对动物的道德使用提出了其他多项指南^44，45，46。动物试验的替代方案是使用离体人眼模型来研究疾病发病机制和保护ONH损伤的药物的潜在分析。人类死后组织是研究人类疾病范式的宝贵资源，特别是在人类神经退行性疾病的情况下，因为在动物模型中开发的潜在药物的鉴定需要可转化为人类⁴⁷。离体人供体组织已被广泛用于人类疾病的研究^47、48、49，人类前段灌注器官培养系统此前为研究IOP升高的病理生理学提供了独特的离体模型^50、51、52。

为了研究人眼中与IOP和ICP相关的跨层压，我们成功设计并开发了一种双腔跨层自主系统（TAS），该系统可以使用来自人类供体眼睛的后段独立调节IOP和ICP。它是第一个研究跨层压力并利用TLPG对ONH的生物力学效应的离体人体模型。

这种离体人TAS模型可用于发现和分类由于IOP或ICP慢性升高而发生的细胞和功能修饰。在本报告中，我们详细介绍了剖析，设置和监测TAS人类后段模型的分步方案。该协议将允许其他研究人员有效地复制这种新颖的离体加压人类后段模型，以研究生物力学疾病的发病机制。