Translaminair autonoom systeemmodel voor de modulatie van intraoculaire en intracraniale druk in posterieure donorsegmenten van menselijke donoren

Wereldwijde schattingen in recente enquêtes suggereren dat 285 miljoen mensen met een visuele beperking leven, waaronder 39 miljoen ^blind1. In 2010 documenteerde de Wereldgezondheidsorganisatie dat drie van de negen genoemde belangrijkste oorzaken van blindheid voorkomen in het achterste segment van het ^oog1. Oogziekten in het achterste segment omvatten het netvlies, vaatvlies en ^oogzenuw2. Het netvlies en de oogzenuw zijn uitbreidingen van het centrale zenuwstelsel (CZS) van de hersenen. De retinale ganglioncel (RGC) axonen zijn kwetsbaar voor schade omdat ze het oog verlaten via de oogzenuwkop (ONH) om de oogzenuw te ^vormen3. De ONH blijft het meest kwetsbare punt voor de RGC-axonen vanwege het 3D-netwerk van bindweefselbundels die de lamina cribrosa (^{LC) worden} genoemd4. De ONH is de eerste plaats van belediging van RGC-axonen bij glaucoom5,6,7, en genexpressieveranderingen binnen de ONH zijn bestudeerd in oculaire hypertensie- en glaucoommodellen8,9,10. De RGC-axonen zijn gevoelig bij de ONH als gevolg van drukverschillen tussen het intraoculaire compartiment, de intraoculaire druk (IOP) genoemd, en binnen de externe perioptische subarachnoïdale ruimte, de intracraniale druk (ICP) ^genoemd11. Het LC-gebied scheidt beide gebieden, met behoud van normale drukverschillen, met IOP variërend van 10-21 mmHg en ICP van 5-15 ^mmHg12. Het drukverschil door de lamina tussen de twee kamers wordt de translaminaire drukgradiënt (TLPG)¹³ genoemd. Een belangrijke risicofactor voor glaucoom is verhoogde ^IOP14.

Verhoogde IOP verhoogt de spanning binnen en over het laminaire gebied6,15,16. Experimentele waarnemingen in mens- en diermodellen presenteren de ONH als de eerste plaats van axonale ^schade17,18. Het biomechanische paradigma van IOP-gerelateerde stress en spanning die glaucomateuze schade veroorzaken bij de ONH beïnvloedt ook de pathofysiologie van glaucoom19,20,21. Hoewel bij mensen drukgeïnduceerde veranderingen RGC-axonen ^{mechanisch beschadigen22}, kunnen knaagdieren zonder collageenachtige platen in de lamina ook glaucoom ^{ontwikkelen7,23}. Bovendien blijft verhoogde IOP de meest prominente risicofactor bij patiënten met primair open hoekglaucoom, terwijl patiënten met een normale spanning glaucoom glaucomateuze optische neuropathie ontwikkelen, zelfs zonder verhoogde IOP. Bovendien zijn er ook een subgroep van oculaire hypertensieve patiënten die geen schade aan de oogzenuw vertonen. Er is ook gesuggereerd dat cerebrospinale vloeistofdruk (CSFp) een rol kan spelen bij de pathogenese van glaucoom. Er zijn aanwijzingen dat de ICP is verlaagd tot ~5 mmHg bij glaucoompatiënten in vergelijking met normale personen, waardoor een verhoogde translaminaire druk wordt veroorzaakt en een cruciale rol wordt gespeeld bij ^ziekte24,25. Eerder werd in een hondenmodel aangetoond dat door het regelen van IOP- en CSFp-veranderingen, er grote verplaatsingen van de optische ^schijf26 kunnen zijn. Het verhogen van CSFp in varkensogen heeft ook een verhoogde hoofdbelasting aangetoond in het LC-gebied en retrolaminair neuraal weefsel. Verhoogde druk op de RGC’s en het LC-gebied draagt bij aan axonale transportblokkade en verlies van ^RGC’s27. Progressieve degeneratie van RGC’s is in verband gebracht met verlies van trofische ^{ondersteuning28,29}, stimulatie van ontstekingsprocessen/immuunregulatie30,31 en apoptotische effectoren29,32,33,34,35. Bovendien veroorzaakt axonaal letsel (figuur 3) schadelijke effecten op de RGC’s, waardoor regeneratief falen ^{wordt veroorzaakt36,37,38,39}. Hoewel de effecten van IOP goed zijn bestudeerd, is er minimaal onderzoek gedaan naar abnormale translaminaire drukveranderingen. De meeste behandelingen voor glaucoom richten zich op het stabiliseren van IOP. Hoewel verlaging van de IOP de progressie van de ziekte vertraagt, keert het gezichtsveldverlies niet om en voorkomt het volledig verlies van RGC’s. Inzicht in drukgerelateerde neurodegeneratieve veranderingen in glaucoom zal cruciaal zijn om RGC-dood te voorkomen.

Het huidige bewijs geeft aan dat translaminaire drukmodulaties als gevolg van verschillende mechanische, biologische of fysiologische veranderingen bij patiënten die lijden aan traumatische of neurodegeneratieve visuele beperkingen aanzienlijk verlies van het gezichtsvermogen kunnen veroorzaken. Momenteel bestaat er geen echt preklinisch menselijk posterieur segmentmodel dat de studie van glaucomateuze biomechanische schade binnen de ex vivo menselijke ONH mogelijk maakt. Observatie en behandeling van het achterste segment van het oog is een enorme uitdaging in de ^{oogheelkunde27}. Er zijn fysieke en biologische barrières om het achterste oog te richten, waaronder hoge eliminatiesnelheden, bloed-retinale barrière en potentiële immunologische ^reacties40. De meeste werkzaamheids- en veiligheidstests voor nieuwe geneesmiddeldoelen worden uitgevoerd met behulp van in vitro cellulaire en in vivo ^{diermodellen41}. Oculaire anatomie is complex en in vitro studies bootsen niet nauwkeurig de anatomische en fysiologische barrières na die worden gepresenteerd door weefselmodelsystemen. Hoewel diermodellen een noodzaak zijn voor farmacokinetische studies, kan de oculaire fysiologie van het menselijk achterste oog variëren tussen verschillende diersoorten, waaronder cellulaire anatomie van het netvlies, vasculatuur en ^ONH41,42.

Het gebruik van levende dieren vereist intensieve en gedetailleerde ethische voorschriften, een hoge financiële inzet en effectieve ^{reproduceerbaarheid43}. Onlangs zijn er meerdere andere richtlijnen gevolgd voor het ethisch gebruik van dieren in experimenteel onderzoek44,45,46. Een alternatief voor dierproeven is het gebruik van ex vivo human eye-modellen om de pathogenese van ziekten te onderzoeken en mogelijke analyse van geneesmiddelen voor het beschermen van ONH-schade. Menselijk postmortaal weefsel is een waardevolle hulpbron voor het bestuderen van menselijke ziekteparadigma’s, vooral in het geval van menselijke neurodegeneratieve ziekten, omdat identificatie van potentiële geneesmiddelen die in diermodellen zijn ontwikkeld, de noodzaak vereist om naar mensen te ^vertalen47. Het ex vivo menselijke donorweefsel is uitgebreid gebruikt voor de studie van menselijke ^{aandoeningen47,48,49}, en menselijke anterieure segment perfusie orgaankweeksystemen hebben eerder een uniek ex vivo model geleverd om de pathofysiologie van verhoogde IOP50,51,52 te bestuderen.

Om translaminaire druk gerelateerd aan IOP en ICP in menselijke ogen te bestuderen, hebben we met succes een tweekamer translaminair autonoom systeem (TAS) ontworpen en ontwikkeld dat IOP en ICP onafhankelijk kan reguleren met behulp van posterieure segmenten van menselijke donorogen. Het is het eerste ex vivo menselijke model dat translaminaire druk bestudeert en de biomechanische effecten van TLPG op de ONH benut.

Dit ex vivo menselijke TAS-model kan worden gebruikt om cellulaire en functionele modificaties te ontdekken en te classificeren die optreden als gevolg van chronische verhoging van IOP of ICP. In dit rapport beschrijven we het stapsgewijze protocol voor het ontleden, instellen en bewaken van het TAS-model voor menselijke posterieure segmenten. Het protocol zal andere onderzoekers in staat stellen om dit nieuwe ex vivo onder druk staande menselijke posterieure segmentmodel effectief te reproduceren om de pathogenese van biomechanische ziekten te bestuderen.