In vivo Methoden om retinale ganglioncel en oogzenuwfunctie en -structuur bij grote dieren te beoordelen
Summary
Hier analyseren we verschillende in vivo tests (flash visual evoked potential, patroonelektroretinogram en optische coherentietomografie) bij geiten- en resusaap om de structuur en functie van de oogzenuw en zijn neuronen te begrijpen.
Abstract
De oogzenuw verzamelt axonensignalen van de retinale ganglioncellen en stuurt visueel signaal naar de hersenen. Grote diermodellen van oogzenuwletsel zijn essentieel voor het vertalen van nieuwe therapeutische strategieën van knaagdiermodellen naar klinische toepassing vanwege hun nauwere overeenkomsten met mensen in grootte en anatomie. Hier beschrijven we enkele in vivo methoden om de functie en structuur van de retinale ganglioncellen (RGC’s) en oogzenuw (ON) bij grote dieren te evalueren, waaronder visueel opgeroepen potentieel (VEP), patroonelektroretinogram (PERG) en optische coherentietomografie (OCT). Zowel geiten- als niet-menselijke primaten werden in deze studie gebruikt. Door deze in vivo methoden stap voor stap te presenteren, hopen we de experimentele reproduceerbaarheid tussen verschillende laboratoria te vergroten en het gebruik van grote diermodellen van optische neuropathieën te vergemakkelijken.
Introduction
De oogzenuw (ON), die bestaat uit axonen van de retinale ganglioncellen (RGC), zendt een visueel signaal van het netvlies naar de hersenen. ON-ziekten, zoals glaucoom, traumatische of ischemische optische neuropathie, veroorzaakten vaak onomkeerbare ON / RGC-degeneratie en verwoestend gezichtsverlies. Hoewel er momenteel veel doorbraken zijn in ON-regeneratie en RGC-bescherming in knaagdiermodellen1,2,3,4,5,6, bleven de klinische behandelingen voor de meeste ON-ziekten de afgelopen halve eeuw in wezen hetzelfde met een onbevredigend resultaat7,8 . Om de kloof tussen fundamenteel onderzoek en klinische praktijk te dichten, zijn translationele studies met behulp van grote diermodellen van ON-ziekten vaak noodzakelijk en nuttig vanwege hun nauwere anatomische gelijkenis met mensen dan knaagdiermodellen.
Geiten- en resusapen zijn twee grote diersoorten die in ons laboratorium worden gebruikt om de ON-ziekte van de mens te modelleren. De grootte van de oogbol van een geit, ON, en de aangrenzende structuur (orbitale en nasale holte, schedelbasis, enz.) is vergelijkbaar met die van een mens op basis van schedel CT-scan9. Als zodanig biedt het geitenmodel de mogelijkheid om therapeutische apparaten of chirurgische procedures te evalueren en te verfijnen voorafgaand aan gebruik bij mensen. De resusaap heeft als niet-menselijke primaat (NHP) een mensachtig uniek visueel systeem dat bij andere soorten niet bestaat10,11. Bovendien zijn pathofysiologische reacties op verwondingen en behandelingen bij NHP vergelijkbaar met die bij mensen12.
In vivo tests om de structuur en functie van de ON en RGC longitudinaal te beoordelen zijn belangrijk in grote dierstudies. Patroon elektroretinogram (PERG) is gebruikt om de RGC-functie te evalueren. Flash visual evoked potential (FVEP) weerspiegelt de integriteit van retino-geniculo-corticale route in het visuele systeem. Zo kan PERG in combinatie met FVEP de AAN-functie weerspiegelen9,13,14 . De beeldvorming van retinale optische coherentietomografie (OCT) kan de retinale structuur met een hoge temporele en ruimtelijke resolutie laten zien, waardoor de dikte van het retinale ganglioncomplex (GCC) kan worden gemeten 9,15. Voor elektrofysiologische onderzoeken in deze studie zijn het monitoren van vitale functies (warmtesnelheid, breuksnelheid, bloeddruk) en het niveau van zuurstofverzadiging (SpO2) vóór het testen cruciaal, omdat deze parameters een krachtige invloed hebben op de oculaire bloedstroom en dus de functie van het visuele systeem. We hebben echter niet de vitale functies gecontroleerd bij het uitvoeren van OCT retinale beeldvorming omwille van de eenvoud. Volgens onze eerdere studie9 is de GCC-dikte gemeten door OCT retinale beeldvorming vrij stabiel, met een variatiecoëfficiënt tussen sessies van bijna 3%. Deze in vivo tests bij geiten en resusapen zijn in detail beschreven in onze eerdere studie9. Hier presenteren we deze methoden om de experimentele transparantie en reproduceerbaarheid te vergroten.
Protocol
Representative Results
Discussion
In deze studie presenteren we een protocol van VEP, PERG en OCT bij geiten- en resusaap. Deze in vivo methoden kunnen worden toegepast in grote diermodellen van verschillende optische neuropathieën, zoals glaucoom, ischemische of traumatische optische neuropathie en optische neuritis9.
PVEP is stabieler en gevoeliger dan FVEP17; het kan echter niet worden uitgelokt in goat9. Als zodanig wordt FVEP uitgevoerd bij …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Deze studie werd gefinancierd door de volgende beurzen: National Key R& D Program of China (2021YFA1101200); Medisch onderzoeksproject van Wenzhou (Y20170188), Nationaal Belangrijk R & D-programma van China (2016YFC1101200); National Natural Science Foundation of China (81770926;81800842); Belangrijk R & D-programma van de provincie Zhejiang (2018C03G2090634); en key R&D-programma van wenzhou eye hospital (YNZD1201902). De sponsor of financierende organisatie had geen rol in het ontwerp of de uitvoering van dit onderzoek.
Materials
| 47.6 x 26.8 cm monitors | DELL Inc. | E2216HV | The visual stimuli of contrast-reversal black-white checkerboards were displayed on screens |
| 6.0 mm tracheal tube | Henan Tuoren Medical Device Co., Ltd | PVC 6.0 | ensure the airway |
| alligator clip | |||
| atropine | Guangdong Jieyang Longyang Animal pharmaceutical Co.,Ltd. | reduce bronchial secretion and protect heart from vagal nerve activation | |
| Carbomer Eye Gel | Fabrik GmbH Subsidiary of Bausch & Lomb | moisten the cornea and stabilize the recording electrodes | |
| ERG-Jet recording electrodes | Roland Consult Stasche&Finger GmbH | 2300 La Chaux-De-Fonds | ERG recording |
| eye speculum | Shanghai Jinzhong Medical Device Co., Ltd | ZYD020 | open palpebral fissure |
| Heidelberg Spectralis OCT system | Heidelberg Engineering | OCT system | |
| Imaging | (https://www.heidelbergengineering.com/media/e-learning/Totara-US/files/pdf-tutorials/2238-003_Spectralis-Training-Guide.pdf) | ||
| isoflurane | RWD Life Science Co., Ltd | R510-22 | isoflurane anesthesia |
| male Saanen goats | Caimu Livestock Company, country (Hangzhou, China) | The male Saanen goats, aged from 4 to 6 months with weight of 19–23 kg | |
| needle electrode | Roland Consult Stasche&Finger GmbH | U51-426-G-D | use for FVEP ground electrode and PERG reference electrodes |
| periphery venous catheter intravenously | BD shanghai Medical Device Co., Ltd | 383019 | intravenous access for atropine and propofol |
| propofol | Xian Lipont Enterprise Union Management Co.,Ltd. | induce Isoflurane anesthesia in goat | |
| Tropicamide Phenylephrine Eye Drops | SANTEN OY, Japan | 5% tropicamide and 5% phenylephrine hydrochloride | |
| visual electrophysiology device | Gotec Co., Ltd | GT-2008V-III | use for FVEP & PERG |
| xylazine | Huamu Animal Health Products Co., Ltd. | xylazine anesthesia: intramuscular injection of xylazine 3mg/kg | |
| zoletil50 | Virbac | induce Isoflurane anesthesia in monkey |
References
- Benowitz, L., Yin, Y. Rewiring the injured CNS: lessons from the optic nerve. Experimental Neurology. 209 (2), 389-398 (2008).
- Park, K. K., et al. Promoting axon regeneration in the adult CNS by modulation of the PTEN/mTOR pathway. Science. 322 (5903), 963-966 (2008).
- Duan, X., et al. Subtype-specific regeneration of retinal ganglion cells following axotomy: effects of osteopontin and mTOR signaling. Neuron. 85 (6), 1244-1256 (2015).
- Bei, F., et al. Restoration of visual function by enhancing conduction in regenerated axons. Cell. 164 (1-2), 219-232 (2016).
- He, Z., Jin, Y. Intrinsic control of axon regeneration. Neuron. 90 (3), 437-451 (2016).
- Yang, S. -. G., et al. Strategies to promote long-distance optic nerve regeneration. Frontiers in Cellular Neuroscience. 14, 119 (2020).
- Foroozan, R. New treatments for nonarteritic anterior ischemic optic neuropathy. Neurologic Clinics. 35 (1), 1-15 (2017).
- Singman, E. L., et al. Indirect traumatic optic neuropathy. Military Medical Research. 3, 2 (2016).
- Zhang, Y., et al. In vivo evaluation of retinal ganglion cells and optic nerve’s integrity in large animals by multi-modality analysis. Experimental Eye Research. 197, 108117 (2020).
- Tolbert, W. D., et al. From Rhesus macaque to human: structural evolutionary pathways for immunoglobulin G subclasses. mAbs. 11 (4), 709-724 (2019).
- Preuss, T., et al. . Specializations of the human visual system: the monkey model meets human reality. , 231-259 (2004).
- Friedli, L., et al. Pronounced species divergence in corticospinal tract reorganization and functional recovery after lateralized spinal cord injury favors primates. Science Translational Medicine. 7 (302), (2015).
- Porciatti, V. Electrophysiological assessment of retinal ganglion cell function. Experimental Eye Research. 141, 164-170 (2015).
- Smith, C. A., Vianna, J. R., Chauhan, B. C. Assessing retinal ganglion cell damage. Eye. 31 (2), 209-217 (2017).
- Schuman, J. S., et al. Optical coherence tomography and histologic measurements of nerve fiber layer thickness in normal and glaucomatous monkey eyes. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 48 (8), 3645-3654 (2007).
- You, Y., et al. Improving reproducibility of VEP recording in rats: electrodes, stimulus source and peak analysis. Documenta Ophthalmologica. 123 (2), 109-119 (2011).
- Odom, J. V., et al. ISCEV standard for clinical visual evoked potentials: (2016 update). Documenta Ophthalmologica. 133 (1), 1-9 (2016).
- Zhang, J., et al. Silicone oil-induced ocular hypertension and glaucomatous neurodegeneration in mouse. eLife. 8, 45881 (2019).
- Seidman, S. H., Telford, L., Paige, G. D. Vertical, horizontal, and torsional eye movement responses to head roll in the squirrel monkey. Experimental Brain Research. 104 (2), 218-226 (1995).
- Porciatti, V. The mouse pattern electroretinogram. Documenta Ophthalmologica. 115 (3), 145-153 (2007).
