Transplantation sous-rétinienne de tissu rétinien dérivé de cellules souches embryonnaires humaines dans un modèle félin de grand animal
Summary
Une technique chirurgicale de transplantation de tissu rétinien dérivé de cellules souches pluripotentes humaines (hPSC) dans l’espace sous-rétinien d’un grand modèle animal est présentée ici.
Abstract
Les conditions dégénératives rétiniennes (DR) associées à la perte de photorécepteurs telles que la dégénérescence maculaire liée à l’âge (DMLA), la rétinite pigmentaire (RP) et l’amaurose congénitale de Leber (ACL) entraînent une perte de vision progressive et débilitante. Il existe un besoin non satisfait de thérapies capables de restaurer la vision une fois que les photorécepteurs ont été perdus. La transplantation de tissu rétinien dérivé de cellules souches pluripotentes humaines (hPSC) (organoïdes) dans l’espace sous-rétinien d’un œil atteint de RD avancée apporte des feuilles de tissu rétinien avec des milliers de photorécepteurs sains sans mutation et a le potentiel de traiter la plupart / toutes les maladies cécitant associées à la dégénérescence des photorécepteurs avec un protocole approuvé. La transplantation de tissu rétinien fœtal dans l’espace sous-rétinien de modèles animaux et de personnes atteintes de RD avancée a été développée avec succès mais ne peut pas être utilisée comme traitement de routine en raison de préoccupations éthiques et d’un approvisionnement tissulaire limité. Les modèles animaux de dégénérescence rétinienne héréditaire (IRD) du grand œil sont précieux pour développer des thérapies de restauration de la vision utilisant des approches chirurgicales avancées pour transplanter des cellules / tissus rétiniens dans l’espace sous-rétinien. Les similitudes dans la taille du globe et la distribution des photorécepteurs (par exemple, la présence d’une région centrale semblable à la macula) et la disponibilité de modèles IRD récapitulant étroitement l’IRD humain faciliteraient la traduction rapide d’un traitement prometteur à la clinique. Une technique chirurgicale de transplantation de tissu rétinien dérivé de hPSC dans l’espace sous-rétinien d’un grand modèle animal permet d’évaluer cette approche prometteuse dans des modèles animaux.
Introduction
Des millions de personnes dans le monde sont touchées par la dégénérescence rétinienne (DR) avec une déficience visuelle ou une cécité associée à la perte des photorécepteurs (PR) de détection de la lumière. La dégénérescence maculaire liée à l’âge (DMLA) est une cause majeure de cécité résultant d’une combinaison de facteurs de risque génétiques et de facteurs environnementaux / liés au mode de vie. En outre, plus de 200 gènes et loci ont été trouvés pour causer la RD héréditaire (IRD)1. La rétinite pigmentaire (RP), l’IRD la plus courante, est génétiquement hétérogène avec plus de 3 000 mutations génétiques dans environ 70 gènes signalés 2,3,4. L’amaurose congénitale de Leber (ACL), qui provoque la cécité dans l’enfance, est également génétiquement hétérogène 5,6. La thérapie d’augmentation génique a été développée et fait l’objet d’essais cliniques pour le traitement d’un petit nombre d’IRDs 3,7. Cependant, une thérapie distincte doit être développée pour le traitement de chaque forme génétique distincte d’IRD et ne traiter ainsi qu’un petit sous-ensemble de patients. De plus, l’augmentation génique repose sur la présence d’une population de photorécepteurs récupérables et n’est donc pas applicable à la dégénérescence avancée.
Il existe donc un besoin clinique urgent et non encore satisfait pour le développement de thérapies abordant et traitant les DR avancés et la cécité profonde à terminale. Au cours des 2 dernières décennies, des implants neuroprothétiques ont été développés et testés sur de grands modèles animaux, tels que le chat, avant l’utilisation humaine 8,9,10,11,12,13,14. De même, au cours des 20 dernières années, des thérapies de remplacement de la rétine utilisant des feuilles de rétine embryonnaire ou même de mammifères matures greffées sous rétine ont été développées 15,16,17,18,19,20,21,22 et même testées avec succès chez des patients RD 23,24,25. Les deux approches utilisent l’idée d’introduire de nouveaux capteurs (photodiodes photovoltaïques en silicium dans le cas des dispositifs neuroprothétiques26,27, et photorécepteurs sains sans mutation organisés en feuilles, dans le cas de l’implantation de feuilles rétiniennes) dans la rétine avec des PR dégénérés. Des études récentes ont étudié l’utilisation d’approches basées sur les cellules souches telles que la transplantation de progéniteurs rétiniens dérivés de cellules souches pluripotentes humaines (hPSC)28,29, de photorécepteurs hPSC 30 et d’organoïdes hPSC-rétiniens31,32,33. Les organoïdes rétiniens permettent la formation de tissu rétinien dans une boîte et la dérivation de feuilles photoréceptrices avec des milliers de RP sans mutation, qui ressemblent à la couche photoréceptrice dans la rétine fœtale humaine en développement 34,35,36,37,38,39,40. La transplantation de tissu rétinien dérivé de hPSC (organoïdes) dans l’espace sous-rétinien de patients atteints de maladies de RD est l’une des nouvelles approches prometteuses de thérapie cellulaire expérimentale, poursuivie par un certain nombre d’équipes 31,32,41,42. Par rapport à la transplantation de la suspension cellulaire (de jeunes photorécepteurs ou de progéniteurs rétiniens), il a été démontré que les feuilles transplantées de photorécepteurs fœtaux entraînaient des améliorations de la vision dans les essais cliniques23,24.
Le protocole présenté ici décrit, en détail, une procédure de transplantation pour l’administration sous-rétinienne des organoïdes rétiniens entiers (plutôt que des bords organoïdes33,41) comme un moyen potentiellement meilleur d’introduire des feuilles rétiniennes intactes avec des PN, d’augmenter la survie du greffon et d’améliorer la préservation de la feuille. Bien que des procédures pour introduire un morceau plat de rétine humaine et des patchs RPE aient été développées43,44,45, la transplantation de greffons 3D plus importants n’a pas été étudiée. Les organoïdes rétiniens dérivés de cellules souches constituent une source inépuisable de feuilles de photorécepteurs pour le développement de technologies de restauration de la vision, sont exempts de restrictions éthiques et sont considérés comme une excellente source de tissu rétinien humain pour les thérapies axées sur le traitement de la RD avancée et de la cécité terminale46. Le développement de méthodes chirurgicales pour l’implantation sous-rétinienne précise d’organoïdes rétiniens avec une lésion minimale de la niche rétinienne de l’hôte (rétine neurale, épithélium pigmentaire rétinien et système vasculaire rétinien et choroïdien) est l’une des étapes critiques pour faire progresser cette thérapie vers des applications cliniques31,32. Les grands modèles animaux tels que les chats, les chiens, les porcs et les singes se sont révélés être de bons modèles pour étudier les méthodes d’administration chirurgicale ainsi que pour démontrer l’innocuité des feuilles de tissu implantées (cellules de l’épithélium pigmentaire rétinien (EPR)) et étudier l’utilisation d’organoïdes 41,44,45,47,48,49,50 . Le grand œil animal a une taille de globe similaire à celle de l’homme ainsi qu’une anatomie similaire, y compris la présence d’une région de forte densité de photorécepteurs, y compris des cônes (la zone centrale), ressemblant à la macula humaine 6,51,52.
Dans ce manuscrit, une technique d’implantation de tissu rétinien dérivé de hPSC (organoïdes) dans l’espace sous-rétinien de grands modèles animaux félins (chats de type sauvage et CrxRdy/+) est décrite, ce qui, avec des résultats d’efficacité prometteurs32,53, jette les bases du développement ultérieur d’une telle thérapie expérimentale vers des applications cliniques pour traiter les conditions de RD.
Protocol
Representative Results
Discussion
L’implantation de tissu rétinien dérivé de hPSC (organoïdes rétiniens) dans l’espace sous-rétinien est une approche expérimentale prometteuse pour restaurer la vision des maladies dégénératives rétiniennes à un stade avancé causées par la mort des cellules PR (cécité profonde ou terminale). L’approche présentée s’appuie sur une thérapie expérimentale précédemment développée et testée avec succès basée sur la greffe sous-rétinienne d’un morceau de tissu rétinien fœtal humain<sup cla…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ce travail a été financé par la subvention SBIR accélérée R44-EY027654-01A1 de NEI et la subvention SBIR 3 R44 EY 027654 – 02 S1 (I.O.N., Lineage Cell Therapeutics; Le Dr Petersen-Jones est cochercheur principal). Les auteurs aimeraient remercier Mme Janice Querubin (MSU RATTS) pour son aide à l’anesthésie et aux soins généraux pour les animaux inclus dans cette étude ainsi que pour son aide avec le cadre chirurgical et la préparation / stérilisation des instruments. Les auteurs tiennent à remercier le Dr Paige Winkler pour l’aide apportée à la réception des organoïdes et à leur placement dans les milieux la veille de l’implantation et pour l’aide apportée le jour de l’implantation. Les auteurs sont également reconnaissants à M. Randy Garchar (LCTX) pour l’expédition diligente des organoïdes rétiniens, l’assemblage de l’expéditeur et le téléchargement des enregistrements de température et de stress G après chaque expédition. Ce travail a été réalisé alors que l’auteur Igor Nasonkin était employé par Biotime (maintenant Lineage).
Materials
| 0.22 µm pore syringe filter with PES membrane | Cameo | NA | can be found by various suppliers |
| 23G subretinal injector with extendable 41 G cannula | DORC | 1270.EXT | |
| 250 µL hamilton gas tight luer lock syringe | Hamilton | NA | can be found by various suppliers |
| 6-0 Silk suture | Ethicon | 707G | |
| 6-0/7-0 polyglactin suture | Ethicon | J570G | |
| Acepromazine maleate 500mg/5mL (Aceproject) | Henry Schein Animal Health | NA | can be found by various suppliers |
| Buprenorphine 0.3 mg/mL | Par Pharmaceutical | NA | can be found by various suppliers |
| cSLO + SD-OCT | Heidelberg Engineering | Spectralis HRA+ OCT | |
| Cyclosporine | Novartis | NA | can be found by various suppliers |
| Dexamethasone 2mg/mL (Azium) | Vetone | NA | can be found by various suppliers |
| Doxycyline 25mg/5mL | Cipla | NA | can be found by various suppliers |
| Fatal Plus solution (pentobarnital solution) | Vortech | NA | can be found by various suppliers |
| Gentamicin 20mg/2mL | Hospira | NA | can be found by various suppliers |
| Glass capillary (Thin-Wall Single-Barrel Standard Borosilicate (Schott Duran) Glass Tubing | World Precision Instruments | TW150-4 | |
| Methylprednisolone actetate 40 mg/mL | Pfizer | NA | can be found by various suppliers |
| Microscope | Zeiss | NA | |
| OCT medium (Tissue-Tek O.C.T. Compound) | Sakura | 4583 | |
| Olympic Vac-Pac Size 23 | Natus | NA | can be found by various suppliers |
| Paraformaldehyde 16% solution | EMS | 15719 | |
| Phenylephrine Hydrochloride 10% Ophthalmic Solution | Akorn | NA | can be found by various suppliers |
| Prednisolone 15mg/5mL | Akorn | NA | can be found by various suppliers |
| Propofol 5000mg/50mL (10 mg/mL) (PropoFlo28) | Zoetis | NA | can be found by various suppliers |
| RetCam II video fundus camera | Clarity Medical Systems | NA | can be found by various suppliers |
| Triamcinolone 400mg/10 mL (Kenalog-40) | Bristol -Myers Squibb Company | NA | can be found by various suppliers |
| Tropicamide 1% ophthalmic solution | Akorn | NA | can be found by various suppliers |
| Vitrectomy 23G port | Alcon | Accurus systems | |
| Vitrectomy machine | Alcon | Accurus systems | |
| Vitreo-retinal vertical 80° scissors with squeeze handle | Frimen | FT170206T |
References
- Veleri, S., et al. Biology and therapy of inherited retinal degenerative disease: insights from mouse models. Disease Models and Mechanisms. 8 (2), 109-129 (2015).
- Dias, M. F., et al. Molecular genetics and emerging therapies for retinitis pigmentosa: Basic research and clinical perspectives. Progress in Retinal and Eye Research. 63, 107-131 (2018).
- Petersen-Jones, S. M., et al. Patients and animal models of CNGbeta1-deficient retinitis pigmentosa support gene augmentation approach. The Journal of Clinical Investigation. 128 (1), 190-206 (2018).
- Winkler, P. A., et al. A large animal model for CNGB1 autosomal recessive retinitis pigmentosa. PLoS One. 8 (8), 72229 (2013).
- Occelli, L. M., Tran, N. M., Narfstrom, K., Chen, S., Petersen-Jones, S. M. CrxRdy Cat: A large animal model for CRX-associated leber congenital amaurosis. Investigative Ophthalmology and Visual Science. 57 (8), 3780-3792 (2016).
- Mowat, F. M., et al. Early-onset progressive degeneration of the area centralis in RPE65-deficient dogs. Investigative Ophthalmology and Visual Science. 58 (7), 3268-3277 (2017).
- Occelli, L. M., et al. Gene supplementation rescues rod function and preserves photoreceptor and retinal morphology in dogs, leading the way towards treating human PDE6A-retinitis pigmentosa. Human Gene Therapy. 28 (12), 1189-1201 (2017).
- Eckhorn, R., et al. Visual resolution with retinal implants estimated from recordings in cat visual cortex. Vision Research. 46 (17), 2675-2690 (2006).
- Pardue, M. T., et al. Status of the feline retina 5 years after subretinal implantation. Journal of Rehabilitation Research and Development. 43 (6), 723-732 (2006).
- Chow, A. Y., et al. Subretinal implantation of semiconductor-based photodiodes: durability of novel implant designs. Journal of Rehabilitation Research and Development. 39 (3), 313-321 (2002).
- Volker, M., et al. In vivo assessment of subretinally implanted microphotodiode arrays in cats by optical coherence tomography and fluorescein angiography. Graefes Archive for Clinical and Experimental Ophthalmology. 242 (9), 792-799 (2004).
- Chow, A. Y., et al. Implantation of silicon chip microphotodiode arrays into the cat subretinal space. Institute of Electrical and Electronics Engineering Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering. 9 (1), 86-95 (2001).
- Sachs, H. G., et al. Subretinal implantation and testing of polyimide film electrodes in cats. Graefe’s Archive for Clinical and Experimental Ophthalmology. 243 (5), 464-468 (2005).
- Villalobos, J., et al. A wide-field suprachoroidal retinal prosthesis is stable and well tolerated following chronic implantation. Investigative Ophthalmology and Visual Science. 54 (5), 3751-3762 (2013).
- Bragadottir, R., Narfstrom, K. Lens sparing pars plana vitrectomy and retinal transplantation in cats. Veterinary Ophthalmology. 6 (2), 135-139 (2003).
- Narfstrom, K., Holland Deckman, K., Menotti-Raymond, M. The domestic cat as a large animal model for characterization of disease and therapeutic intervention in hereditary retinal blindness. Journal of Ophthalmology. , 906943 (2011).
- Seiler, M. J., et al. Functional and structural assessment of retinal sheet allograft transplantation in feline hereditary retinal degeneration. Veterinary Ophthalmology. 12 (3), 158-169 (2009).
- Aramant, R. B., Seiler, M. J. Transplanted sheets of human retina and retinal pigment epithelium develop normally in nude rats. Experimental Eye Research. 75 (2), 115-125 (2002).
- Lin, B., McLelland, B. T., Mathur, A., Aramant, R. B., Seiler, M. J. Sheets of human retinal progenitor transplants improve vision in rats with severe retinal degeneration. Experimental Eye Research. 174, 13-28 (2018).
- Seiler, M. J., Aramant, R. B. Cell replacement and visual restoration by retinal sheet transplants. Progress in Retinal and Eye Research. 31 (6), 661-687 (2012).
- Seiler, M. J., et al. Vision recovery and connectivity by fetal retinal sheet transplantation in an immunodeficient retinal degenerate rat model. Investigative Ophthalmology and Visual Science. 58 (1), 614-630 (2017).
- Lorach, H., et al. Transplantation of mature photoreceptors in rodents with retinal degeneration. Translational Vision Science and Technology. 8 (3), 30 (2019).
- Radtke, N. D., et al. Vision improvement in retinal degeneration patients by implantation of retina together with retinal pigment epithelium. American Journal of Ophthalmology. 146 (2), 172-182 (2008).
- Radtke, N. D., Aramant, R. B., Seiler, M. J., Petry, H. M., Pidwell, D. Vision change after sheet transplant of fetal retina with retinal pigment epithelium to a patient with retinitis pigmentosa. Archives of Ophthalmology. 122 (8), 1159-1165 (2004).
- Radtke, N. D., Seiler, M. J., Aramant, R. B., Petry, H. M., Pidwell, D. J. Transplantation of intact sheets of fetal neural retina with its retinal pigment epithelium in retinitis pigmentosa patients. American Journal of Ophthalmology. 133 (4), 544-550 (2002).
- Lorach, H., Palanker, E. Retinal prostheses: High-resolution photovoltaic implants. Medical Science (Paris). 31 (10), 830-831 (2015).
- Mathieson, K., et al. Photovoltaic retinal prosthesis with high pixel density. Nature Photonics. 6 (6), 391-397 (2012).
- Banin, E., et al. Retinal incorporation and differentiation of neural precursors derived from human embryonic stem cells. Stem Cells. 24 (2), 246-257 (2006).
- Hambright, D., et al. Long-term survival and differentiation of retinal neurons derived from human embryonic stem cell lines in un-immunosuppressed mouse retina. Molecular Vision. 18, 920-936 (2012).
- Lamba, D. A., Gust, J., Reh, T. A. Transplantation of human embryonic stem cell-derived photoreceptors restores some visual function in Crx-deficient mice. Cell Stem Cell. 4 (1), 73-79 (2009).
- Singh, R. K., Occelli, L. M., Binette, F., Petersen-Jones, S. M., Nasonkin, I. O. Transplantation of human embryonic stem cell-derived retinal tissue in the subretinal space of the cat eye. Stem Cells and Development. 28 (17), 1151-1166 (2019).
- McLelland, B. T., et al. Transplanted hESC-derived retina organoid sheets differentiate, integrate, and improve visual function in retinal degenerate rats. Investigative Ophthalmology and Visual Science. 59 (6), 2586-2603 (2018).
- Assawachananont, J., et al. Transplantation of embryonic and induced pluripotent stem cell-derived 3D retinal sheets into retinal degenerative mice. Stem Cell Reports. 2 (5), 662-674 (2014).
- Eiraku, M., et al. Self-organizing optic-cup morphogenesis in three-dimensional culture. Nature. 472 (7341), 51-56 (2011).
- Nakano, T., et al. Self-formation of optic cups and storable stratified neural retina from human ESCs. Cell Stem Cell. 10 (6), 771-785 (2012).
- Singh, R. K., et al. Characterization of three-dimensional retinal tissue derived from human embryonic stem cells in adherent monolayer cultures. Stem Cells and Development. 24 (23), 2778-2795 (2015).
- Wahlin, K. J., et al. Photoreceptor outer segment-like structures in long-term 3D retinas from human pluripotent stem cells. Scientific Reports. 7 (1), 766 (2017).
- Zhong, X., et al. Generation of three-dimensional retinal tissue with functional photoreceptors from human iPSCs. Nature Communications. 5, 4047 (2014).
- Capowski, E. E., et al. Reproducibility and staging of 3D human retinal organoids across multiple pluripotent stem cell lines. Development. 146 (1), 171686 (2019).
- Meyer, J. S., et al. Modeling early retinal development with human embryonic and induced pluripotent stem cells. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 106 (39), 16698-16703 (2009).
- Shirai, H., et al. Transplantation of human embryonic stem cell-derived retinal tissue in two primate models of retinal degeneration. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 113 (1), 81-90 (2016).
- Mandai, M., et al. iPSC-derived retina transplants improve vision in rd1 end-stage retinal-degeneration mice. Stem Cell Reports. 8 (4), 1112-1113 (2017).
- Scruggs, B. A., et al. Optimizing donor cellular dissociation and subretinal injection parameters for stem cell-based treatments. Stem Cells Translational Medicine. 8 (8), 797-809 (2019).
- Singh, R., et al. Pluripotent stem cells for retinal tissue engineering: Current status and future prospects. Stem Cell Reviews and Reports. 14 (4), 463-483 (2018).
- Sharma, R., et al. Clinical-grade stem cell-derived retinal pigment epithelium patch rescues retinal degeneration in rodents and pigs. Science Translational Medicine. 11, 475 (2019).
- Ghosh, F., Engelsberg, K., English, R. V., Petters, R. M. Long-term neuroretinal full-thickness transplants in a large animal model of severe retinitis pigmentosa. Graefes Archive for Clinical and Experimental Ophthalmology. 245 (6), 835-846 (2007).
- Koss, M. J., et al. Subretinal implantation of a monolayer of human embryonic stem cell-derived retinal pigment epithelium: a feasibility and safety study in Yucatan minipigs. Graefes Archive for Clinical and Experimental Ophthalmology. 254 (8), 1553-1565 (2016).
- da Cruz, L., et al. Phase 1 clinical study of an embryonic stem cell-derived retinal pigment epithelium patch in age-related macular degeneration. Nature Biotechnology. 36 (4), 328-337 (2018).
- Kashani, A. H., et al. Subretinal implantation of a human embryonic stem cell-derived retinal pigment epithelium monolayer in a porcine model. Advances in Experimental Medicine and Biology. 1185, 569-574 (2019).
- Kashani, A. H., et al. Surgical method for implantation of a biosynthetic retinal pigment epithelium monolayer for geographic atrophy: Experience from a Phase 1/2a study. Ophthalmology. Retina. 4 (3), 264-273 (2020).
- Petersen-Jones, S. M., Komaromy, A. M. Dog models for blinding inherited retinal dystrophies. Human Gene Therapy. Clinical Development. 26 (1), 15-26 (2015).
- Beltran, W. A., et al. Canine retina has a primate fovea-like bouquet of cone photoreceptors which is affected by inherited macular degenerations. PLoS One. 9 (3), 90390 (2014).
- Nasonkin, I. O., et al. Transplantation of human embryonic stem cell derived retinal tissue in the subretinal space of immunodeficient rats with retinal degeneration (RD). Investigative Ophthalmology and Visual Science. 60 (9), 3109 (2019).
- Singh, R. K., et al. Development of a protocol for maintaining viability while shipping organoid-derived retinal tissue. Journal of Tissue Engineering and Regenerative Medicine. 14 (2), 388-394 (2020).
- Petersen-Jones, S. M. Drug and gene therapy of hereditary retinal disease in dog and cat models. Drug Discovery Today. Disease Models. 10 (4), 215-223 (2013).
- Machemer, R., Buettner, H., Norton, E., Parel, J. M. Vitrectomy: a pars plana approach. Transactions – American Academy of Ophthalmology and Otolaryngology. 75 (4), 813-820 (1972).
- Machemer, R., Norton, E. W. Vitrectomy, a pars plana approach. II. Clinical experience. Modern Problems in Ophthalmology. 10, 178-185 (1972).
- Machemer, R., Parel, J., Norton, E. Vitrectomy: a pars plana approach. Technical improvements and further results. Transactions – American Academy of Ophthalmology and Otolaryngology. 76 (2), 462-466 (1972).
- O’Malley, C., Heintz, R. M. Vitrectomy with an alternative instrument system. Annals of Ophthalmology. 7 (4), 585-588 (1975).
- Machemer, R., Hickingbotham, D. The three-port microcannular system for closed vitrectomy. American Journal of Ophthalmology. 100 (4), 590-592 (1985).
- Petersen-Jones, S. M., et al. AAV retinal transduction in a large animal model species: comparison of a self-complementary AAV2/5 with a single-stranded AAV2/5 vector. Molecular Vision. 15, 1835-1842 (2009).
- Annear, M. J., et al. Successful gene therapy in older Rpe65-deficient dogs following subretinal injection of an adeno-associated vector expressing RPE65. Human Gene Therapy. 24 (10), 883-893 (2013).
- Beltran, W. A., et al. Optimization of retinal gene therapy for X-linked retinitis pigmentosa due to RPGR mutations. Molecular Therapy: The Journal of the American Society of Gene Therapy. 25 (8), 1866-1880 (2017).
- Bainbridge, J. W. B., et al. Long-term effect of gene therapy on Leber’s Congenital Amaurosis. The New England Journal of Medicine. 372 (20), 1887-1897 (2015).
