Modelo de sistema autónomo translaminar para la modulación de la presión intraocular e intracraneal en segmentos posteriores de donantes humanos

Las estimaciones mundiales en encuestas recientes sugieren que 285 millones de personas viven con discapacidad visual, incluidos 39 millones que son ^ciegos1. En 2010, la Organización Mundial de la Salud documentó que tres de las nueve principales causas de ceguera enumeradas ocurren en el segmento posterior del ^ojo1. Las enfermedades oculares del segmento posterior involucran la retina, la coroides y el nervio ^óptico2. La retina y el nervio óptico son extensiones del sistema nervioso central (SNC) del cerebro. Los axones de células ganglionares de la retina (RGC) son vulnerables al daño porque salen del ojo a través de la cabeza del nervio óptico (ONH) para formar el nervio ^óptico3. El ONH sigue siendo el punto más vulnerable para los axones RGC debido a la malla 3D de haces de tejido conectivo llamada lámina cribrosa (LC)⁴. La ONH es el sitio inicial de insulto a los axones RGC en ^{glaucoma5,6,7}, y se han estudiado cambios en la expresión génica dentro de la ONH en modelos de hipertensión ocular y glaucoma8,9,10. Los axones RGC son susceptibles en la ONH debido a los diferenciales de presión entre el compartimento intraocular, llamado presión intraocular (PIO), y dentro del espacio subaracnoideo perióptico externo, llamado presión intracraneal (ICP)¹¹. La región LC separa ambas áreas, manteniendo diferenciales de presión normales, con PIO que oscila entre 10 y 21 mmHg y PIC desde 5-15 ^mmHg12. La diferencia de presión a través de la lámina entre las dos cámaras se denomina gradiente de presión translaminar (TLPG)¹³. Un factor de riesgo importante del glaucoma es la ^PIO14 elevada.

El aumento de la PIO aumenta la tensión dentro y a través de la región laminar6,15,16. Observaciones experimentales en humanos y modelos animales presentan la ONH como el sitio inicial del daño ^axonal17,18. El paradigma biomecánico del estrés y la tensión relacionados con la PIO que causan daños glaucomatosos en la ONH también influye en la fisiopatología del glaucoma19,20,21. Aunque en humanos los cambios inducidos por la presión dañan mecánicamente los axones ^RGC22, los roedores que carecen de placas colágenas dentro de la lámina también pueden desarrollar ^glaucoma7,23. Además, la PIO elevada sigue siendo el factor de riesgo más prominente en los pacientes con glaucoma primario de ángulo abierto, mientras que los pacientes con glaucoma de tensión normal desarrollan neuropatía óptica glaucomatosa incluso sin PIO elevada. Además, también hay un subconjunto de pacientes hipertensos oculares que no muestran daño en el nervio óptico. También se ha sugerido que la presión del líquido cefalorraquídeo (CSFp) puede desempeñar un papel en la patogénesis del glaucoma. La evidencia indica que la PIC se reduce a ~5 mmHg en pacientes con glaucoma en comparación con individuos normales, lo que provoca un aumento de la presión translaminar y juega un papel crucial en la ^{enfermedad24,25}. Anteriormente, se demostró en un modelo canino, que al controlar los cambios de IOP y CSFp, puede haber grandes desplazamientos del disco ^óptico26. La elevación de la CSFp en los ojos porcinos también ha mostrado un aumento de la tensión principal dentro de la región LC y el tejido neural retrolaminar. El aumento de la tensión en los RGC y la región LC contribuye al bloqueo del transporte axonal y a la pérdida de ^RGC27. La degeneración progresiva de las RGC se ha asociado con pérdida de soporte ^{trófico28,29}, estimulación de procesos inflamatorios/regulación ^inmune30,31 y efectores apoptóticos29,32,33,34,35. Además, la lesión axonal (Figura 3) causa efectos perjudiciales sobre las RGC, desencadenando el fracaso regenerativo36,37,38,39. A pesar de que los efectos de la PIO han sido bien estudiados, se han realizado investigaciones mínimas sobre los cambios anormales de presión translaminar. La mayoría de los tratamientos para el glaucoma se centran en estabilizar la PIO. Sin embargo, a pesar de que la disminución de la PIO ralentiza la progresión de la enfermedad, no revierte la pérdida del campo visual y previene la pérdida completa de RGC. Comprender los cambios neurodegenerativos relacionados con la presión en el glaucoma será crucial para prevenir la muerte por RGC.

La evidencia actual indica que las modulaciones de presión translaminar debido a diversos cambios mecánicos, biológicos o fisiológicos en pacientes que sufren de discapacidades visuales traumáticas o neurodegenerativas pueden causar una pérdida significativa de la visión. Actualmente, no existe un verdadero modelo preclínico del segmento posterior humano que pueda permitir el estudio del daño biomecánico glaucomatoso dentro de la ONH humana ex vivo. La observación y el tratamiento del segmento posterior del ojo es un gran reto en ^{oftalmología27}. Existen barreras físicas y biológicas para atacar el ojo posterior, incluyendo altas tasas de eliminación, barrera sangre-retina y posibles respuestas inmunológicas40. La mayoría de las pruebas de eficacia y seguridad para nuevos objetivos farmacológicos se realizan utilizando modelos celulares e in vivo in ^vitro41. La anatomía ocular es compleja, y los estudios in vitro no imitan con precisión las barreras anatómicas y fisiológicas presentadas por los sistemas de modelos de tejidos. A pesar de que los modelos animales son una necesidad para los estudios farmacocinéticos, la fisiología ocular del ojo posterior humano puede variar entre varias especies animales, incluida la anatomía celular de la retina, la vasculatura y la ^ONH41,42.

El uso de animales vivos requiere regulaciones éticas intensivas y detalladas, un alto compromiso financiero y una reproducibilidad ^efectiva43. Recientemente, se han seguido muchas otras directrices para el uso ético de animales en la investigación experimental44,45,46. Una alternativa a las pruebas con animales es el uso de modelos de ojo humano ex vivo para investigar la patogénesis de la enfermedad y el análisis potencial de medicamentos para proteger el daño de LA ONH. El tejido postmortem humano es un recurso valioso para el estudio de los paradigmas de las enfermedades humanas, especialmente en el caso de las enfermedades neurodegenerativas humanas, porque la identificación de fármacos potenciales desarrollados en modelos animales requiere la necesidad de ser traducibles a los ^humanos47. El tejido donante humano ex vivo se ha utilizado ampliamente para el estudio de trastornos humanos47,48,49, y los sistemas de cultivo de órganos de perfusión del segmento anterior humano han proporcionado previamente un modelo ex vivo único para estudiar la fisiopatología de la PIO ^{elevada50,51,52}.

Para estudiar la presión translaminar relacionada con la PIO y la PIC en los ojos humanos, diseñamos y desarrollamos con éxito un sistema autónomo translaminar (TAS) de dos cámaras que puede regular de forma independiente la PIO y la PIC utilizando segmentos posteriores de los ojos de donantes humanos. Es el primer modelo humano ex vivo que estudia la presión translaminar y explota los efectos biomecánicos del TLPG en la ONH.

Este modelo de TAS humano ex vivo se puede utilizar para descubrir y clasificar las modificaciones celulares y funcionales que ocurren debido a la elevación crónica de la PIO o ICP. En este informe, detallamos el protocolo paso a paso de disección, configuración y monitoreo del modelo de segmento posterior humano TAS. El protocolo permitirá a otros investigadores reproducir eficazmente este nuevo modelo de segmento posterior humano presurizado ex vivo para estudiar la patogénesis de enfermedades biomecánicas.