Evaluación de la Vascular regeneración en el SNC Utilizando la retina del ratón
Summary
La retina de roedores ha sido reconocida como una ventana de acceso al cerebro. En este documento técnico se proporciona un protocolo que emplea el modelo de ratón de retinopatía inducida por oxígeno para estudiar los mecanismos que conducen al fracaso de la regeneración vascular en el sistema nervioso central después de la lesión isquémica. El sistema descrito también se puede aprovechar para explorar estrategias para promover el nuevo crecimiento de vasos sanguíneos funcionales dentro de la retina y sistema nervioso central.
Abstract
La retina de roedor es tal vez el sistema de mamífero más accesible en el que para investigar la interacción neurovascular dentro del sistema nervioso central (SNC). Se está reconociendo cada vez más que algunas enfermedades neurodegenerativas como el Alzheimer, la esclerosis múltiple y la esclerosis lateral amiotrófica elementos presentes de compromiso vascular. Además, las causas más importantes de ceguera en la población de edad pediátrica y de trabajo (retinopatía del prematuro y la retinopatía diabética, respectivamente) se caracterizan por una degeneración vascular y la insuficiencia de recrecimiento vascular fisiológico. El objetivo de este documento técnico es proporcionar un protocolo detallado para estudiar la regeneración vascular del SNC en la retina. El método puede ser empleado para dilucidar los mecanismos moleculares que conducen a la insuficiencia de crecimiento vascular después de la lesión isquémica. Además, las posibles modalidades terapéuticas para acelerar y restaurar plexos vasculares sanas se pueden explorar. Hallazgos obtaineD utilizando el enfoque descrito puede proporcionar vías terapéuticas para retinopatías isquémicas tales como el de la diabetes o la prematuridad y posiblemente beneficiar a otros trastornos vasculares del SNC.
Introduction
A lo largo del desarrollo del SNC, los nervios, las células inmunes y los vasos sanguíneos establecer redes notablemente acoplados a garantizar una adecuada perfusión tisular y permitir la transmisión de información sensorial 1-5. El detalle de los resultados de los sistemas vasculares en la oxigenación tisular insuficiente y suministro metabólico comprometido y está cada vez más reconocido como un importante contribuyente a la patogénesis de las enfermedades neurodegenerativas 6. Deserción vascular y el deterioro de la unidad neurovascular dentro del cerebro, por ejemplo, se asocia con demencia vascular, lesiones vasculares de la materia blanca del cerebro 7 y la enfermedad de Alzheimer con estenosis de las arteriolas y los vasos pequeños 8. Además, se cree alteración de la función barrera vascular para contribuir esclerosis múltiple 9 y la esclerosis lateral amiotrófica 10.
De importancia directa para el modelo de la retina se describe en este protocolo, el cegamientoenfermedades tales como la retinopatía diabética 11 y la retinopatía de la prematuridad 12, 13 se caracterizan por una fase de degeneración vascular temprano. El estrés isquémico posterior sobre la retina neurovascular desencadena una segunda fase de la neovascularización excesiva y patológica que probablemente se origina como una respuesta compensatoria a oxígeno restablecerá y suministro de energía 14-16. Una estrategia atractiva para superar el estrés isquémico que es central a la progresión de la enfermedad es restaurar redes vasculares funcionales específicamente en las zonas isquémicas de la neuro-retina (Figuras 2 y 3). Provocar una respuesta angiogénica controlada puede venir a través como contra-intuitivo para una condición en la que los tratamientos anti-angiogénicos tales como anti-VEGF son considerados como tratamientos adaptados. Sin embargo, la evidencia de la validez de este enfoque es el montaje. Por ejemplo, la mejora de recrecimiento vascular "fisiológica-like" en ischemretinopatías ic se ha demostrado elegantemente a través de la introducción de las células precursoras endoteliales 17, la inhibición de VEGF de células de Müller-expresado regulación a la baja inducida de otros factores angiogénicos, 18 de inyección de progenitores mieloides 19, la inhibición de NADPH oxidasa inducida por la apoptosis 20, el aumento de la dieta ω-3 grasos poliinsaturados la ingesta de ácido 21, el tratamiento con un fragmento carboxilo-terminal de triptófano ARNt sintetasa 22, y la administración directa de VEGF o FGF-2 para la protección de las células gliales 23. Por otra parte, hemos demostrado que la modulación de las señales de orientación neuronales clásicas tales como Semaphorins o netrinas en retinopatías isquémicas acelera la regeneración vascular de los vasos sanos dentro de la retina y, en consecuencia reduce la angiogénesis patológica 24, 25. De relevancia clínica directa, varios de los estudios en animales antes mencionados proporcionan evidencia de que la promoción de re vasculargeneración durante la fase isquémica temprana de retinopatías puede reducir significativamente la neovascularización que ponen en peligro la vista previa de la retina 19, 23, 24, 26, probablemente a través de la reducción de la carga isquémica.
La elaboración de estrategias terapéuticas que estimulan la regeneración de los vasos funcionales sigue siendo un reto importante para los biólogos vasculares. Aquí se describe un sistema experimental que emplea el modelo de ratón de la retinopatía inducida por oxígeno (OIR) para explorar estrategias para modular el recrecimiento vascular en la retina. Desarrollado por Smith et al. En 1994 27, este modelo sirve como sustituto de las retinopatías proliferativas humanas y consiste en la exposición de las crías P7 ratón al 75% de O 2 hasta el P12 y, posteriormente, la reintroducción de las crías al ambiente de la sala O2-tensión (Figura 1). Este paradigma imita débilmente un escenario en el que se ventila un bebé prematurocon O 2. La exposición de las crías de ratón a hiperoxia provoca degeneración de los capilares de la retina y de la microvasculatura, y produce una superficie reproducible de vaso-obliteración (VO) suele evaluarse a la salida de O 2 en P12, aunque el área de VO máxima se alcanza a las 48 horas (P9) después exposición a O 2 28. En el ratón, las zonas avasculares VO regeneran espontáneamente en el transcurso de la semana siguiente a la reintroducción de aire de la habitación y finalmente zonas VO están completamente re-vascularizados (Figura 2). La reintroducción de aire de la sala de ratones sometidos a OIR también provoca la neovascularización de la retina antes de la (NV) (máximo a P17) que se evalúa típicamente para determinar la eficacia de los paradigmas de tratamiento anti-angiogénicos. En su forma más pura, el modelo OIR proporciona una herramienta altamente reproducible y cuantificable para evaluar la degeneración vascular inducida por el oxígeno y determinar el grado de destrucción neovascularización pre-retinal 29-31.
<p class = "jove_content"> Varios paradigmas de tratamiento exploratorio que modulan la regeneración vascular del SNC puede ser investigada mediante el modelo de OIR, incluyendo el uso de los compuestos farmacológicos, la terapia génica, la supresión de genes y más. La propensión de un enfoque dado para influir en el nuevo crecimiento vascular se evaluó paso a paso en la ventana entre P12 (VO máxima después de la salida de la hiperoxia) y P17 (NV máxima). Evaluación de los resultados del tratamiento en NV patológica se puede determinar rápidamente y fácilmente en paralelo y ha sido descrita a fondo por Stahl y colegas 30, 31. Aquí le ofrecemos una forma sencilla y paso a paso para investigar la modulación de revascularización fisiológica dentro de la retina neural por compuestos farmacológicos, terapéuticos potenciales, vectores virales o para estudiar la influencia de los genes candidatos en los ratones manipulados genéticamente.Protocol
Representative Results
Discussion
¿Cuál es la forma más eficaz para estimular el crecimiento de nuevos vasos sanos en el tejido nervioso isquémico? ¿Es terapéuticamente válida para interferir con y acelerar origen natural recrecimiento vascular? En patologías neuro-isquémica como retinopatías isquémicas o derrame cerebral, degeneración vascular se asocia con una reducción de la función neuronal 35-38. Por lo tanto para hacer frente a la lesión inicial, el restablecimiento de la microcirculación regional durante la fase inmedia…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
PS tiene una Cátedra de investigación de Canadá en Biología Celular de la retina y el Premio del Instituto de Investigación Alcon Nueva investigador. Este trabajo fue apoyado por becas de los Institutos Canadienses de Investigación en Salud (221,478), la Asociación Canadiense de Diabetes (OG-3-11-3329-PS), las Ciencias Naturales e Ingeniería de Investigación de Canadá (418.637) y la Fundación Lucha contra la Ceguera Canadá. El apoyo también fue proporcionado por el Réseau de Recherche en Santé de la Vision du Québec.
Materials
| C57Bl/6 mice ((Other strains may be used; angiogenic response varies from one strain to the other) | |||
| CD1 nursing mothers | Vendor of choice | ||
| Operating Scissors straight | World Precision Instruments | 14192 | |
| Dissecting Scissors straight | World Precision Instruments | 14393 | |
| Vannas Eye Scissors | Harvard Apparatus | 72-8483 | |
| Iris Forceps, curved, serrated | World Precision Instruments | 15915 | |
| Brushes 362R size 0 | Dynasty | ||
| Dumont Forceps #3; straight | World Precision Instruments | 500338 | |
| Surgical Blade, size 10 | Bard-Parker | 371110 | |
| Rhodamine Griffonia (Bandeiraea) Simplicifolia Lectin I | Vector Laboratories, Inc | RL-1102 | |
| Microscope slides | VWR | 16004-368 | |
| Fluoromount G | Electron Microscopy Sciences | 17984-25 | |
| Zeiss Axio Observer Z1 Inverted Phase and Fluorescence Microscope | Zeiss | ||
| Leica MZ9.5 Stereomicroscope | Leica | ||
| Fluorescein isothicyanate-dextran, 70000 | Sigma-Aldrich | 46945 |
References
- Carmeliet, P., Tessier-Lavigne, M. Common mechanisms of nerve and blood vessel wiring. Nature. 436, 193-200 (2005).
- Eichmann, A., Thomas, J. L. Molecular Parallels between Neural and Vascular Development. Cold Spring Harb Perspect Med. 3, (2012).
- Larrivee, B., Freitas, C., Suchting, S., Brunet, I., Eichmann, A. Guidance of vascular development: lessons from the nervous system. Circ Res. 104, 428-441 (2009).
- Stefater Iii, J. A., et al. Regulation of angiogenesis by a non-canonical Wnt-Flt1 pathway in myeloid cells. Nature. 474, 511-515 (2011).
- Checchin, D., Sennlaub, F., Levavasseur, E., Leduc, M., Chemtob, S. Potential role of microglia in retinal blood vessel formation. Invest Ophthalmol Vis Sci. 47, 3595-3602 (2006).
- Quaegebeur, A., Lange, C., Carmeliet, P. The neurovascular link in health and disease: molecular mechanisms and therapeutic implications. Neuron. 71, 406-424 (2011).
- Yamamoto, Y., Craggs, L., Baumann, M., Kalimo, H., Kalaria, R. N. Review: molecular genetics and pathology of hereditary small vessel diseases of the brain. Neuropathol Appl Neurobiol. 37, 94-113 (2011).
- Brun, A., Englund, E. A white matter disorder in dementia of the Alzheimer type: a pathoanatomical study. Ann Neurol. 19, 253-262 (1986).
- Prat, A., et al. Migration of multiple sclerosis lymphocytes through brain endothelium. Arch Neurol. 59, 391-397 (2002).
- Rule, R. R., Schuff, N., Miller, R. G., Weiner, M. W. Gray matter perfusion correlates with disease severity in ALS. Neurology. 74, 821-827 (2010).
- Antonetti, D. A., Klein, R., Gardner, T. W. Diabetic retinopathy. N Engl J Med. 366, 1227-1239 (2012).
- Hartnett, M. E., Penn, J. S. Mechanisms and management of retinopathy of prematurity. N Engl J Med. 367, 2515-2526 (2012).
- Sapieha, P., et al. Retinopathy of prematurity: understanding ischemic retinal vasculopathies at an extreme of life. J Clin Invest. 120, 3022-3032 (2010).
- Chen, J., Smith, L. Retinopathy of prematurity. Angiogenesis. 10, 133-140 (2007).
- Cheung, N. Diabetic retinopathy and systemic vascular complications. Progress in Retinal and Eye Research. 27, 161-176 (2008).
- Smith, L. E. Through the eyes of a child: understanding retinopathy through ROP the Friedenwald lecture. Invest Ophthalmol Vis Sci. 49, 5177-5182 (2008).
- Caballero, S., et al. Ischemic vascular damage can be repaired by healthy, but not diabetic, endothelial progenitor cells. Diabetes. 56, 960-967 (2007).
- Wang, H., et al. VEGF-mediated STAT3 activation inhibits retinal vascularization by down-regulating local erythropoietin expression. Am J Pathol. 180, 1243-1253 (2012).
- Ritter, M. R., et al. Myeloid progenitors differentiate into microglia and promote vascular repair in a model of ischemic retinopathy. J Clin Invest. 116, 3266-3276 (2006).
- Saito, Y., Geisen, P., Uppal, A., Hartnett, M. E. Inhibition of NAD(P)H oxidase reduces apoptosis and avascular retina in an animal model of retinopathy of prematurity. Mol Vis. 13, 840-853 (2007).
- Connor, K. M., et al. Increased dietary intake of omega-3-polyunsaturated fatty acids reduces pathological retinal angiogenesis. Nat Med. 13, 868-873 (2007).
- Banin, E., et al. T2-TrpRS inhibits preretinal neovascularization and enhances physiological vascular regrowth in OIR as assessed by a new method of quantification. Invest Ophthalmol Vis Sci. 47, 2125-2134 (2006).
- Dorrell, M. I., et al. Maintaining retinal astrocytes normalizes revascularization and prevents vascular pathology associated with oxygen-induced retinopathy. Glia. 58, 43-54 (2010).
- Joyal, J. -. S., et al. Ischemic neurons prevent vascular regeneration of neural tissue by secreting semaphorin 3A. Blood. 117, 6024-6035 (2011).
- Binet, F., et al. Neuronal ER Stress Impedes Myeloid-Cell-Induced Vascular Regeneration through IRE1alpha Degradation of Netrin-1. Cell Metab. 17, 353-371 (2013).
- Fukushima, Y., et al. Sema3E-PlexinD1 signaling selectively suppresses disoriented angiogenesis in ischemic retinopathy in mice. J Clin Invest. 121, 1974-1985 (2011).
- Smith, L. E., et al. Oxygen-induced retinopathy in the mouse. Invest Ophthalmol Vis Sci. 35, 101-111 (1994).
- Lange, C., et al. Kinetics of retinal vaso-obliteration and neovascularisation in the oxygen-induced retinopathy (OIR) mouse model. Graefes Arch Clin Exp Ophthalmol. 247, 1205-1211 (2009).
- Connor, K. M., et al. Quantification of oxygen-induced retinopathy in the mouse: a model of vessel loss, vessel regrowth and pathological angiogenesis. Nature Protocols. 4, 1565-1573 (2009).
- Stahl, A., et al. The mouse retina as an angiogenesis model. Invest Ophthalmol Vis Sci. 51, 2813-2826 (2010).
- Stahl, A., et al. Computer-aided quantification of retinal neovascularization. Angiogenesis. 12, 297-301 (2009).
- Stahl, A., et al. Postnatal Weight Gain Modifies Severity and Functional Outcome of Oxygen-Induced Proliferative Retinopathy. Am J Pathol. 177, 2715-2723 (2010).
- Cerani, A., et al. Neuron-Derived Semaphorin 3A is an Early Inducer of Vascular Permeability in Diabetic Retinopathy via Neuropilin-1. Cell Metabolism. 18, 505-518 (2013).
- Sapieha, P. Eyeing central neurons in vascular growth and reparative angiogenesis. Blood. 120, 2182-2194 (2012).
- Dorfman, A., Dembinska, O., Chemtob, S., Lachapelle, P. Early manifestations of postnatal hyperoxia on the retinal structure and function of the neonatal rat. Invest Ophthalmol Vis Sci. 49, 458-466 (2008).
- Dorfman, A. L., Joly, S., Hardy, P., Chemtob, S., Lachapelle, P. The effect of oxygen and light on the structure and function of the neonatal rat retina. Doc Ophthalmol. 118, 37-54 (2009).
- Chopp, M., Zhang, Z. G., Jiang, Q. Neurogenesis, angiogenesis, and MRI indices of functional recovery from stroke. Stroke. 38, 827-831 (2007).
- Li, L., et al. Angiogenesis and improved cerebral blood flow in the ischemic boundary area detected by MRI after administration of sildenafil to rats with embolic stroke. Brain Res. 1132, 185-192 (2007).
- Robinson, R., Barathi, V. A., Chaurasia, S. S., Wong, T. Y., Kern, T. S. Update on animal models of diabetic retinopathy: from molecular approaches to mice and higher mammals. Dis Model Mech. 5, 444-456 (2012).
- Chia, R., Achilli, F., Festing, M. F., Fisher, E. M. The origins and uses of mouse outbred stocks. Nat Genet. 37, 1181-1186 (2005).
- Jenuth, J. P., Peterson, A. C., Shoubridge, E. A. Tissue-specific selection for different mtDNA genotypes in heteroplasmic mice. Nat Genet. 16, 93-95 (1997).
- Mattapallil, M. J., et al. The Rd8 mutation of the Crb1 gene is present in vendor lines of C57BL/6N mice and embryonic stem cells, and confounds ocular induced mutant phenotypes. Investigative ophthalmolog., & visual science. 53, 2921-2927 (2012).
