En akut retinal modell för utvärdering Blood Retinal Barrier överträdelse och potentiella läkemedel för behandling
Summary
En låg kostnad, är enkel att använda och kraftfullt system inrättas för att utvärdera potentiella behandlingar som kan lindra blod retinal barriärbrott inducerad av histamin. Blodkärlsläckage, Müller-cellsaktivering och kontinuiteten i neuronala processer används för att bedöma skadorna respons och dess återföring med ett potentiellt läkemedel, lipoxin A4.
Abstract
A low-cost, easy-to-use and powerful model system is established to evaluate potential treatments that could ameliorate blood retinal barrier breach. An inflammatory factor, histamine, is demonstrated to compromise vessel integrity in the cultured retina through positive staining of IgG outside of the blood vessels. The effects of histamine itself and those of candidate drugs for potential treatments, such as lipoxin A4, are assessed using three parameters: blood vessel leakage via IgG immunostaining, activation of Müller cells via GFAP staining and change in neuronal dendrites through staining for MAP2. Furthermore, the layered organization of the retina allows a detailed analysis of the processes of Müller and ganglion cells, such as changes in width and continuity. While the data presented is with swine retinal culture, the system is applicable to multiple species. Thus, the model provides a reliable tool to investigate the early effects of compromised retinal vessel integrity on different cell types and also to evaluate potential drug candidates for treatment.
Introduction
En växande mängd bevis stöder förekomsten av blod retinal barriären (BRB) 1-5 och dess likhet med blod-hjärnbarriären (BBB) 6,7. Kompromiss av BBB har tätt kopplade kausalt eller som en diagnostisk markör för kroniska neurodegenerativa sjukdomar såsom Alzheimers sjukdom (AD) 8,9 och akuta tillstånd såsom delirium 10. Mekanistiska insikter i dessa sjukdomar och upptäckter för potentiella läkemedelsmål i allmänhet hindras av den begränsade tillgängligheten och nätverk intrikat av hjärnan. Alternativ som in vivo imaging 11, hjärna organotypic kultur 12, primära cellkulturer 13,14 samt co-odlingssystem 15 har genererats. Men de flesta av dessa modeller kräver speciella instrument, långa experimentella perioder eller flera markörer för att identifiera celler. Funktionella och strukturella likheter mellan BBB och BRB samt ett samband mellan dysfunctions av två ha kunnat hävda 16-19. Dessutom har lättare tillgång till väldefinierade celltyper och en skiktad struktur tillät väldefinierad näthinnan som ett fönster till hjärnan. De strukturella och funktionella identiteter BBB och BRB återstår att jämföras i detalj. Emellertid retinala patologier, särskilt BRB brott, har också tätt associerad med framskridandet av olika sjukdomar, inklusive diabetes 18-19 och AD 21,22. Således är det av intresse att upprätta ett BRB dysfunktion systemet inte bara för att beskriva mekanismen utan även för att screena potentiella läkemedel. I denna rapport, är ett protokoll som gör det möjligt BRB dysfunktion med hjälp av en enkel akut retinal kultur utvecklas och presenteras.
Ökad BBB permeabilitet och AD-liknande patologiska förändringar har fastställts i en hjärna organotypic kultur inkuberades med histamin, en pro-inflammatoriska medlare 12. Därför, i den presenterade systemet, histamin var applerat till ex vivo retinal kultur för att inducera BRB dysfunktion. Näthinnor från flera arter, såsom Mus musculus och Bos Taurus, har testats. På grund av deras kommersiella tillgänglighet och likhet med mänsklig vävnad, var färska svin ögonglober utnyttjas för att ge de uppgifter som rapporteras här. Efter inkubering med histamin och / eller andra läkemedel, var näthinnorna bearbetas för utvärdering genom immunfärgning för flera proteiner 12, såsom immunglobulin G (IgG), en av de viktigaste komponenterna i blodet; glia fibrillärt surt protein (GFAP), en välkänd markör för glial aktivering; och mikrotubuli-associerat protein 2 (MAP2), ett neuronspecifikt cytoskelettprotein viktigt för mikrotubuli montering. Dessutom tillåter den skiktade strukturen av näthinnan en detaljerad analys av de processer Müller celler och ganglieceller, såsom förändringar i bredd och kontinuitet. Således flera ytterligare parametrar finns tillgängliga för att bedöma konsekvenserna avBRB brott på ett tidigt stadium och att utvärdera återföring effekterna av potentiella behandlingar.
I detta protokoll, potentiella återföring effekterna av avskärmade läkemedel utvärderas ur tre perspektiv: läckage av blodkärl (BvS), aktivering av gliaceller och skade respons av neuronala celler. Flera kvantifieringsmetoder utnyttjas, till exempel, expressionsnivån visas genom intensiteten av immunfärgning, breddmätning av en process och kontinuitet i neuronala processer som visas av en förstärkningsfilter. För att bättre illustrera förfarandet och hjälpa till att tolka resultaten, lipoxin A4 (LXA4), en förening endogent syntetiserat som svar på inflammatoriska skador och dämpa endoteldysfunktion 23, har valts för demonstrationssyfte.
Protocol
Representative Results
Discussion
In this report, we present a powerful ex vivo acute retinal model of BRB dysfunction using the swine retina. This model system does not require special instruments and can be easily adapted under most laboratory settings. However, to obtain a successful result, several steps require close attention. After obtaining the eyeballs from the source, they must be kept at 4 °C or on ice and processed as soon as possible. When the effect of a treatment is being analyzed, two halves of the same retina must be used -…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bringhurst Meats (Berlin, NJ) is acknowledged for their genuine help in providing the swine eyeballs.
Materials
| DMEM | Life Technologies | 11965-092 | |
| HBSS | Life Technologies | 14170-112 | |
| Sucrose | J.T.Baker | 4072-05 | |
| Histamine | Sigma | H7125-1G | |
| Penicillin-Streptomycin | Invitrogen | ||
| PFA | Electron Microscopy Sciences | 15710 | |
| Freezing Media | Triangle Biomedical Sciences | TFM-5 | |
| Normal Goat Serum | Rockland | D104-00-0050 | |
| Triton X-100 | Sigma | T8787 | |
| GFAP Antibody | Millipore | AB5804 | |
| MAP2 Antibody | EMD Millipore | MAB3418 | |
| FITC conjugated Donkey anti-rabbit IgG | Jackson ImmunoResearch Laboratories, Inc. | 711-095-152 | |
| Cy3 conjugated Donkey anti-mouse IgG | Jackson ImmunoResearch Laboratories, Inc. | 715-165-150 | |
| mounting medium containing DAPI | Vector Laboratories, Inc. | H-1200 | |
| Laser Confocal Microscope | Nikon | Eclipse Ti microscope | |
| ImageJ | National Institutes of Health | 1.45s |
References
- Cunha-Vaz, J., Bernardes, R., Lobo, C. Blood-retinal barrier. J Ophthalmol. 21, 3 (2011).
- Kim, J. H., et al. Blood-neural barrier: intercellular communication at glio-vascular interface. J Biochem Molec Biol. 39, 339-345 (2006).
- Kumagai, A. K. Glucose transport in brain and retina: implications in the management and complications of diabetes. Diabetes Metab Res Rev. 15, 261-273 (1999).
- Runkle, E. A., Antonetti, D. A. The blood-retinal barrier: structure and functional significance. Methods Molec Biol. 686, 133-148 (2011).
- Takata, K., Hirano, H., Kasahara, M. Transport of glucose across the blood-tissue barriers. Int Rev Cytol. 172, 1-53 (1997).
- Goncalves, A., Ambrosio, A. F., Fernandes, R. Regulation of claudins in blood-tissue barriers under physiological and pathological states. Tissue Barriers. 1, 24782 (2013).
- Patton, N., et al. Retinal image analysis: concepts, applications and potential. Prog Ret Eye Res. 25, 99-127 (2006).
- Di Marco, L. Y., et al. Vascular dysfunction in the pathogenesis of Alzheimer’s disease–A review of endothelium-mediated mechanisms and ensuing vicious circles. Neurobiol Dis. 82, 593-606 (2015).
- Nagele, R. G., et al. Brain-reactive autoantibodies prevalent in human sera increase intraneuronal amyloid-beta(1-42) deposition. J Alzheimer’s Dis: JAD. 25, 605-622 (2011).
- Goldwaser, E., Acharya, N., Nagele, R. Cerebrovascular and blood-brain barrier compromise: A mechanistic link between vascular disease and Alzheimer’s disease subtypes of neurocognitive disorders. J Parkinsons Dis Alzheimer’s Dis. 2, 10 (2015).
- Horton, N. G., et al. In vivo three-photon microscopy of subcortical structures within an intact mouse brain. Nat Photonics. 7, (2013).
- Sedeyn, J. C., et al. Histamine Induces Alzheimer’s Disease-Like Blood Brain Barrier Breach and Local Cellular Responses in Mouse Brain Organotypic Cultures. Biomed Res Int. 2015, 937148 (2015).
- Avdeef, A., Deli, M. A., Neuhaus, W., Di, L., Kerns, E. H. . Blood-Brain Barrier in Drug Discovery: Optimizing Brain Exposure of CNS Drugs and Minimizing Brain Side Effects for Peripheral Drugs. , 188 (2014).
- Eigenmann, D. E., et al. Comparative study of four immortalized human brain capillary endothelial cell lines, hCMEC/D3, hBMEC, TY10, and BB19, and optimization of culture conditions, for an in vitro blood-brain barrier model for drug permeability studies. Fluids Barriers CNS. 10, 33 (2013).
- Takeshita, Y., et al. An in vitro blood-brain barrier model combining shear stress and endothelial cell/astrocyte co-culture. J Neurosci Methods. 232, 165-172 (2014).
- Alberghina, M., Lupo, G., Anfuso, C. D., Moro, F. Palmitate transport through the blood-retina and blood-brain barrier of rat visual system during aging. Neurosci Lett. 150, 17-20 (1993).
- Hosoya, K., Yamamoto, A., Akanuma, S., Tachikawa, M. Lipophilicity and transporter influence on blood-retinal barrier permeability: a comparison with blood-brain barrier permeability. Pharm Res. 27, 2715-2724 (2010).
- Minamizono, A., Tomi, M., Hosoya, K. Inhibition of dehydroascorbic acid transport across the rat blood-retinal and -brain barriers in experimental diabetes. Biol Pharm Bull. 29, 2148-2150 (2006).
- Serlin, Y., Levy, J., Shalev, H. Vascular pathology and blood-brain barrier disruption in cognitive and psychiatric complications of type 2 diabetes mellitus. Cardiovasc Psychiatry Neurol. 2011, 609202 (2011).
- Kolb, H. How the retina works – Much of the construction of an image takes place in the retina itself through the use of specialized neural circuits. Am Sci. 91, 28-35 (2003).
- Ikram, M. K., Cheung, C. Y., Wong, T. Y., Chen, C. P. Retinal pathology as biomarker for cognitive impairment and Alzheimer’s disease. J Neurol Neurosurgery Psychiatry. 83, 917-922 (2012).
- Tan, Z., Ge, J. Amyloid-beta, the retina, and mouse models of Alzheimer disease. Am J Pathol. 176, 2055 (2010).
- Serhan, C. N. Pro-resolving lipid mediators are leads for resolution physiology. Nature. 510, 92-101 (2014).
- Bucolo, C., et al. Effects of topical indomethacin, bromfenac and nepafenac on lipopolysaccharide-induced ocular inflammation. J Pharm Pharmacol. 66, 954-960 (2014).
- Edelman, J. L., Lutz, D., Castro, M. R. Corticosteroids inhibit VEGF-induced vascular leakage in a rabbit model of blood-retinal and blood-aqueous barrier breakdown. Exp Eye Res. 80, 249-258 (2005).
