Kornea Endotel Hücre Kaybının Noninvaziv, Lazer Destekli Deneysel Modelinin Geliştirilmesi
Summary
Burada kornea endotel hücrelerinin (MSK) neodimyum kullanarak Descemet zarından (DM) ayrılması için bir protokol sunuyoruz:YAG (Nd:YAG) lazer, büllöz keratopati (BK) için eksvivo hastalık modeli olarak.
Abstract
Nd:YAG lazerler noninvaziv göz içi cerrahisi gerçekleştirmek için kullanılmaktadır, kapsulotomi gibi şimdi birkaç on yıldır. Kesi etkisi lazer odaklama optik arıza dayanır. Akustik şok dalgaları ve kavitasyon kabarcıkları üretilir, doku yırtılmasına neden olur. Kabarcık boyutları ve basınç genlikleri darbe enerjisi ve odak noktasının konumuna göre değişir. Bu çalışmada, enükleatlı domuz gözleri ticari olarak mevcut nd:YAG lazerin önüne yerleştirilmiştir. Değişken darbe enerjileri ve korneaya arka fokal noktaların farklı konumları test edildi. Ortaya çıkan lezyonlar iki foton mikroskobu ve histoloji ile değerlendirildi ve kornea endotel hücrelerinin (MSK) en az ikincil hasarla özel bir ayrılması için en iyi parametreler belirlendi. Bu yöntemin avantajları, CEC’nin kesin ablasyon, azaltılmış ikincil hasar ve hepsinden önemlisi temassız tedavidir.
Introduction
Korneanın saydamlığı, ışığın retinaya ve fotoreseptörlerine iletilmesi için gereklidir1. Bu bağlamda, dehidratasyon göreceli bir devlet kornea stroma içinde kollajen lifleri doğru hizalanmış tutmak için önemlidir. Bu homeostaz Descemet membran (DM)2üzerinde bulunan kornea endotel hücreleri (MSK) tarafından korunur. Endotel en içteki kornea tabakasıdır. Bu kornea şeffaflık için çok önemli bir bariyer ve pompa fonksiyonu vardır3. Epitelaksine, endotel kendini yenilemek mümkün değildir4. Bu nedenle, hastalık veya travma nedeniyle herhangi bir hücre hasarı büyütmek ve göç, ortaya çıkan kusurları kapsayacak ve kornea işlevselliğini korumak için kalan endotel hücrelerini uyarır5. Ancak, CEC yoğunluğu kritik bir eşiğin altına düşerse, endotel dekompansasyonu bir ödem yol açar, bulanık görme ve rahatsızlık ve hatta şiddetli ağrı ile sonuçlanan4. Semptomları hafifletmek için ilaçların mevcudiyetine rağmen, şu anda bu durumlarda tek kesin tedavi kornea naklidir, tam kalınlıkta greft veya lamellar endotel transplantasyonu şeklinde yapılabilir. İkinci prosedür Descemet membran endotel keratoplasti olarak kullanılabilir (DMEK) yanı sıra Descemet’s sıyırma otomatik endotel keratoplasti (DSAEK)6. Ancak, kalan MK’nin korunması ve hayatta kalmalarının artırılması alternatif bir hedef olabilir, potansiyel terapötik ilaçları test etmek için yeterli bir hastalık modeline ihtiyaç vardır.
Mevcut CEC kaybı hastalığı modelleri toksik ajanların enjeksiyonu yoluyla endotel imha odaklanmak (örneğin, benzalkonyum klorür) ön hazneiçine veya bir invaziv descemetorheks tekniği kullanarak hücrelerin mekanik aşınma ile7,8. Bu modeller iyi kurulmuş olmakla birlikte, genel inflamatuar yanıt ve kesin olmayan ikincil hasar gibi dezavantajları var. Bu nedenle, bu modeller daha fazla hastalığın son aşamalarında temsil etmek olasıdır, yukarıda belirtilen cerrahi seçenekler kaçınılmaz olduğunda.
Kök hücre ve gen tedavisi gibi hücresel tedavi stratejilerindeki gelişmelerle, bu hücresel tedavilerin uygulanması MK kaybının erken evrelerinde yararlı olabilir9. Daha sonra, hastalığın bu erken evrelerini daha yeterli bir şekilde temsil eden bir modele ihtiyacımız vardır. Bu bağlamda, hücre kültürü modelleri son on yılda geliştirilmiş ama yine de geçerliliği sınırlıdır, in vitro hücreleri kornea içinde farklı hücre türleri arasında meydana gelen karmaşık etkileşimleri çoğaltma yakın gelemez gibi10. Bu nedenle, ex vivo ve in vivo hastalık modelleri hala yüksek talep ve mevcut olanları iyileştirilmesi son derece ilgi çekicidir.
Noninvaziv, göz içi cerrahisi bir neodimyum kullanarak fotoaksilik:YAG (Nd:YAG) lazer geç 1970’lerin sonlarında piyasaya sunulmasından bu yana dünya çapında göz doktorları için rutin bir prosedür haline gelmiştir11. Photodisruption plazma oluşumuna yol açan doğrusal olmayan ışık emilimi dayanır, akustik şok dalgaları üretimi, ve kavitasyon kabarcıkları oluşturulması, uygulama sitesi sıvı bir ortamda bulunduğunda12. Genel olarak, bu süreçler hassas doku kesme amaçlanan etkiye katkıda bulunur. Ancak, onlar da lazer cerrahisi13yerel hapsi sınırlayan gereksiz teminat hasar kaynağı olabilir.
Ortaya çıkan mekanik etkilerin tahmini, şok dalgası yayılımı ve kavitasyon rotasının karakterizasyonu ile önemli ölçüde iyileşmiştir. Amacımız MSK kaybının erken evreleri için noninvaziv, lazer destekli deneysel bir hastalık modeli sağlamak için çevre dokulara mümkün olduğunca az hasar ile MSK hedef. Bu amaçla lazerin odak noktalarının optimum darbe enerjilerini ve konumlarını belirlemek gerekir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu pilot çalışmanın sonuçları, enerji dozu ve odak noktası pozisyonu için uygun parametreler seçildiğinde kornea endotel hücrelerini seçici olarak ablate etmek için nd:YAG lazerin kullanılabileceğini göstermektedir.
Endotel fonksiyonu kornea şeffaflığı ve korneanın stromal ödemden korunması açısından önemli olduğundan, endotel disfonksiyonu modelleri ödem önleyici ilaçların veya cerrahi işlemlerin geliştirilmesinde önemli rol oynamaktadır. In vivo durum takl…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Christine Örün ve Jan A. M. Sochurek’e deneysel yöntemlerdeki yardımları için teşekkür ederiz.
Materials
| BARRON VACUUM TREPHINE | Katena | K20-2058 | |
| Cryostat | Leica | CM 3050S | |
| Dulbecco’s Modified Eagle’s Medium – high glucose | PAA | E-15009 | |
| Eye holder | Self | N/A | |
| Inverted Microscope | Leica | DMI 6000 B | |
| KH2PO4 | Merck | 529568 | |
| Na2HPO4 | Merck | 1065860500 | |
| Nd:YAG laser | Zeiss Meditec | visuLAS YAG II plus | |
| OCT Tissue Tek | Sakura Finetechnical | 4583 | |
| Penicillin-Streptomycin | Sigma-Aldrich | P4333 | |
| Phosphate Buffered Saline (PBS) | Gibco | 10010056 | |
| Porcine serum | Sigma-Aldrich | 12736C | |
| Spectral-domain optical coherence tomograph | Heidelberg Engineering | Spectralis | |
| Tissue culture plate 12-well | Sarstedt | 833921 | |
| Two-Photon Microscope | JenLab | DermaInspect | |
| Viscoelastic | OmniVision | Methocel |
References
- DelMonte, D. W., Kim, T. Anatomy and physiology of the cornea. Journal of Cataract and Refractive Surgery. 37 (3), 588-598 (2011).
- Edelhauser, H. F. The balance between corneal transparency and edema: the Proctor Lecture. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 47 (5), 1754-1767 (2006).
- Tuft, S. J., Coster, D. J. The corneal endothelium. Eye. 4, 389-424 (1990).
- Bourne, W. M. Biology of the corneal endothelium in health and disease. Eye. 17, 912-918 (2003).
- He, Z., et al. 3D map of the human corneal endothelial cell. Scientific Reports. 6, 29047 (2016).
- Gain, P., et al. Global Survey of Corneal Transplantation and Eye Banking. JAMA Ophthalmology. 134 (2), 167-173 (2016).
- Schwartzkopff, J., Bredow, L., Mahlenbrey, S., Boehringer, D., Reinhard, T. Regeneration of corneal endothelium following complete endothelial cell loss in rat keratoplasty. Molecular Vision. 16, 2368-2375 (2010).
- Bredow, L., Schwartzkopff, J., Reinhard, T. Regeneration of corneal endothelial cells following keratoplasty in rats with bullous keratopathy. Molecular Vision. 20, 683-690 (2014).
- Bartakova, A., Kunzevitzky, N. J., Goldberg, J. L. Regenerative Cell Therapy for Corneal Endothelium. Current Ophthalmology Reports. 2 (3), 81-90 (2014).
- Zhao, B., et al. Development of a three-dimensional organ culture model for corneal wound healing and corneal transplantation. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 47 (7), 2840-2846 (2006).
- Aron-Rosa, D., Aron, J. J., Griesemann, M., Thyzel, R. Use of the neodymium-YAG laser to open the posterior capsule after lens implant surgery: a preliminary report. Journal – American Intra-Ocular Implant Society. 6 (4), 352-354 (1980).
- Vogel, A., Hentschel, W., Holzfuss, J., Lauterborn, W. Cavitation bubble dynamics and acoustic transient generation in ocular surgery with pulsed neodymium: YAG lasers. Ophthalmology. 93 (10), 1259-1269 (1986).
- Vogel, A., Schweiger, P., Frieser, A., Asiyo, M. N., Birngruber, R. Intraocular Nd:YAG laser surgery: laser-tissue interaction, damage range, and reduction of collateral effects. IEEE Journal of Quantum Electronics. 26 (12), 2240-2260 (1990).
- Zhu, Q., Zhu, Y., Tighe, S., Liu, Y., Hu, M. Engineering of Human Corneal Endothelial Cells In Vitro. International Journal of Medical Sciences. 16 (4), 507-512 (2019).
- Li, Z., et al. Nicotinamide inhibits corneal endothelial mesenchymal transition and accelerates wound healing. Experimental Eye Research. 184, 227-233 (2019).
- Pescina, S., et al. Development of a convenient ex vivo model for the study of the transcorneal permeation of drugs: histological and permeability evaluation. Journal of Pharmaceutical Sciences. 104 (1), 63-71 (2015).
- Smeringaiova, I., et al. Endothelial Wound Repair of the Organ-Cultured Porcine Corneas. Current Eye Research. 43 (7), 856-865 (2018).
- Yamashita, K., et al. A Rabbit Corneal Endothelial Dysfunction Model Using Endothelial-Mesenchymal Transformed Cells. Scientific Reports. 8 (1), 16868 (2018).
- Schubert, H. D., Trokel, S. Endothelial repair following Nd:YAG laser injury. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 25 (8), 971-976 (1984).
- Zhang, W., et al. Rabbit Model of Corneal Endothelial Injury Established Using the Nd: YAG Laser. Cornea. 36 (10), 1274-1281 (2017).
- McCally, R. L., Bonney-Ray, J., de la Cruz, Z., Green, W. R. Corneal endothelial injury thresholds for exposures to 1.54 micro m radiation. Health Physics. 92 (3), 205-211 (2007).
- Nash, J. P., Wickham, M. G., Binder, P. S. Corneal damage following focal laser intervention. Experimental Eye Research. 26 (6), 641-650 (1978).
