פלטפורמת תרבות איברים מגזריי חיצוני למעקב אחר פציעות גלובוס פתוח וביצועים טיפוליים
Summary
פציעות עיניים גלובוס פתוח עלולות ללכת מטופל במשך ימים מרובים בתרחישים כפריים או צבאיים רלוונטיים, וכתוצאה מכך עיוורון. טיפולים נדרשים כדי למזער את אובדן הראייה. כאן, אנו מפרטים מודל פציעה גלובוס פתוח תרבות איברים. עם מודל זה, טיפולים פוטנציאליים לייצוב פציעות אלה ניתן להעריך כראוי.
Abstract
לפציעות גלובוס פתוח יש תוצאות ראייתיות גרועות, ולעתים קרובות גורמות לאובדן ראייה קבוע. זאת, בין היתר, בשל עיכוב ממושך בין פציעה להתערבות רפואית בסביבות כפריות וביישומים לרפואה צבאית שבהם הטיפול ברופאים לא זמין. פציעות לא מטופלות רגישות לזיהום לאחר שהעין איבדה את החותם האטום במים שלה, כמו גם אובדן הכדאיות של הרקמה עקב תת לחץ דם תוך עיני. טיפולים לאטום באופן זמני פציעות גלובוס פתוח, אם מפותח כראוי, עשוי להיות מסוגל לשחזר את הלחץ התוך עיני ולמנוע זיהום עד טיפול עיניים נאות אפשרי. כדי להקל על פיתוח המוצר, מפורט כאן הוא השימוש של תרבות איברים פלח חיצוני פלטפורמת פגיעה גלובוס פתוח למעקב אחר ביצועים טיפוליים לפחות 72 שעות לאחר פציעה. רקמת מקטע חזירית ניתן לשמור על מנות תרבות איברים מעוצבות בהתאמה אישית ומוחזקת בלחץ תוך עיני פיזיולוגי. פציעות דקירה ניתן ליצור עם מערכת פנאומטית מסוגל לייצר גדלי פציעה עד 4.5 מ”מ קוטר, בדומה לגדלי פגיעה רלוונטיים לצבא. אובדן לחץ תוך עיני ניתן לראות עבור 72 שעות לאחר פציעה המאשר אינדוקציה פציעה נכונה ואובדן החותם אטום למים של העין. ביצועים טיפוליים ניתן לעקוב אחר ידי יישום לעין לאחר אינדוקציה פציעה ולאחר מכן מעקב אחר לחץ תוך עיני במשך מספר ימים. יתר על כן, מודל פגיעה במגזר קרום הלב החל על שיטות בשימוש נרחב עבור פיזיולוגיה מגזרי ריצה פונקציונלית וביולוגית, כגון הערכת שקיפות, מכניקת עיניים, בריאות אפיתל הקרנית, ואת הכדאיות רקמות. בסך הכל, השיטה המתוארת כאן היא צעד הכרחי לקראת פיתוח טיפולי ביו-חומרים לאיטום זמני של פציעות גלובוס פתוח כאשר טיפול עיניים אינו זמין.
Introduction
פציעות גלובוס פתוח (OG) עלולות לגרום לאובדן ראייה קבוע כאשר לא מטופלים או לפחות התייצבו בעקבותפציעה 1. עיכובים, לעומת זאת, נפוצים באזורים מרוחקים שבהם הגישה להתערבות עיניים אינה זמינה, כגון באזורים כפריים או בשדה הקרב בתרחישים צבאיים. כאשר הטיפול אינו זמין, הסטנדרט הנוכחי של טיפול הוא להגן על העין עם מגן נוקשה עד התערבות רפואית אפשרית. ברפואה הצבאית, עיכוב זה הוא כרגע עד 24 שעות, אבל זה צפוי להגדיל עד 72 שעות בפעולות לחימה עתידיות בסביבות עירוניות שבו פינוי אוויר אינו אפשרי2,3,4. עיכובים אלה יכולים להיות ארוכים עוד יותר ביישומים אזרחיים כפריים ומרוחקים שבהם הגישה להתערבות עיניים מוגבלת5,6. פגיעת OG לא מטופלת רגישה מאוד לזיהום ואובדן לחץ תוך עיני (IOP) בשל החותם האטום במים של העין שנפרץ7,8. אובדן IOP יכול להשפיע על הכדאיות של הרקמה, מה שהופך כל התערבות רפואית לא סביר לשחזר את הראייה אם העיכוב בין פציעה וטיפול הוא ארוך מדי9.
כדי לאפשר פיתוח של טיפולים קלים ליישום לאיטום פציעות OG עד שניתן להגיע למומחה עיניים, פותח בעבר מודל פגיעה OG benchtop10,11. עם מודל זה, פציעות במהירות גבוהה נוצרו בעיני חזירים שלמים בעוד IOP נתפס על ידי מתמרי לחץ. לאחר מכן ניתן ליישם טיפולים כדי להעריך את יכולתם לאטום את אתר הפציעהOG 12. עם זאת, כמו מודל זה משתמש בעיני חזיר מלא, זה יכול רק להעריך ביצועים טיפוליים מיידיים ללא דרך לעקוב אחר ביצועים לטווח ארוך על פני החלון האפשרי 72 שעות שבו הטיפול חייב לייצב את אתר הפציעה עד המטופל מגיע לטיפול מיוחד. כתוצאה מכך, פותח מודל פגיעה במגזרזרזר אחד (ASOC) OG ופורט בפרוטוקול זה כפלטפורמה למעקב אחר ביצועים טיפוליים ארוכי טווח13.
ASOC היא טכניקה בשימוש נרחב לשמירה על רקמת כלי דם של החלק הימני, כגון הקרנית, במשך שבועות מרובים לאחר enucleation14,15,16,17. המקטע החיצוני נשמר תחת IOP פיזיולוגי על ידי זלוף נוזלים בקצבי זרימה פיזיולוגיים ושמירה על אזור זרימת העבודה הטראבולרית, הרקמה האחראית על ויסות IOP, במהלך הגדרת ASOC18,19. פלטפורמת ASOC יכולה לשמור על רקמות פיזיולוגיות, לגרום לפגיעת OG באמצעות מכשיר המופעל על ידי פנאומטי, ליישם טיפול, ולעקוב אחר ייצוב פציעה לפחות 72 שעות לאחרפציעה 13.
כאן, הפרוטוקול מספק מתודולוגיה שלב אחר שלב לשימוש בפלטפורמת ASOC. ראשית הוא מפרט כיצד להגדיר ולזיוף את פלטפורמת ASOC. לאחר מכן, הפרוטוקול מפרט כיצד לנתח באופן אספטי את המקטע הימני ולשמור על רשת המיזוג הטראבקולרית, ואחריה הגדרת רקמת מקטעים ימנית במנות תרבות איברים שנבנו בהתאמה אישית. לאחר מכן, הוא מפרט כיצד ליצור פציעות גלובוס פתוח וליישם טיפולי מיד לאחר הפציעה. לבסוף, הפרוטוקול מספק סקירה על פרמטרי אפיון המאפשרים לשימוש בשיטה זו המעריכה תכונות תפקודיות, מכניות וביולוגיות של העין וכמה טוב הפגיעה התייצבה. בסך הכל, מודל זה מספק פלטפורמה נחוצה להאצת פיתוח המוצר לייצוב וטיפול בפציעות גלובוס פתוח ולשיפור הפרוגנוזה לקויה של הראייה בעקבות פציעה.
Protocol
Representative Results
Discussion
ישנם צעדים קריטיים עם פלטפורמת הפציעות ASOC OG שיש להדגיש כדי לשפר את הסבירות להצלחה בעת שימוש במתודולוגיה. ראשית, במהלך ניתוח המקטעים הראשונים, שמירה על רשת trabecular היא חיונית אך מאתגרת לעשות כראוי. אם TM הוא שיבש, העין לא תשמור על לחץ פיזיולוגי ולא תעמוד בקריטריוני הזכאות לשימוש ניסיוני. מומלץ …
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
חומר זה מבוסס על עבודה הנתמכת על ידי משרד ההגנה של ארצות הברית באמצעות הסכם בין-משרדי (#19-1006-IM) עם תוכנית הרכישה הזמנית לתיקון קרנית (הסוכנות לפיתוח מטריאל רפואי של צבא ארצות הברית).
Materials
| 10-32 Polycarbonate straight plug, male threaded pipe connector | McMaster-Carr | 51525K431 | |
| 10-32 Socket cap screw, ½" | McMaster-Carr | 92196A269 | |
| 10 mL syringe | BD | 302995 | |
| 20 mL syringe | BD | 302830 | |
| Anti-Anti | Gibco | 15240-096 | |
| Ball-End L key | McMaster-Carr | 5020A25 | |
| Betadine | Fisher Scientific | NC1696484 | |
| BD Intramedic PE 160 Tubing | Fisher Scientific | 14-170-12E | |
| Cotton swabs | Puritan | 25-8061WC | |
| DMEM media | ATCC | 30-2002 | |
| FBS | ATCC | 30-2020 | |
| Fine forceps | World Precision Instruments | 15914 | |
| Gauze | Covidien | 8044 | |
| Gentamicin | Gibco | 15710-064 | |
| Glutamax | Gibco | 35050-061 | |
| High temperature silicone O-ring, 2 mm wide, 4 mm ID | McMaster-Carr | 5233T47 | |
| Large forceps | World Precision Instruments | 500365 | |
| Large surgical scissors | World Precision Instruments | 503261 | |
| Medium toothed forceps | World Precision Instruments | 501217 | |
| Nail (puncture object) | McMaster-Carr | 97808A503 | |
| Nylon syringe filters | Fisher | 09-719C | |
| PBS | Gibco | 10010-023 | |
| Petri dish (100 mm) | Fisher | FB0875713 | |
| Polycarbonate, three-way, stopcock with male luer lock | Fisher | NC9593742 | |
| Razor blade | Fisher | 12-640 | |
| Stainless steel 18 G 90 degree angle dispensing needle | McMaster-Carr | 75165A81 | |
| Stainless steel 18 G straight ½'’ dispensing needle | McMaster-Carr | 75165A675 | |
| Sterile 100 mL beakers with lids | VWR | 15704-092 | |
| Vannas scissors | World Precision Instruments | WP5070 |
References
- Hilber, D., Mitchener, T. A., Stout, J., Hatch, B., Canham-Chervak, M. Eye injury surveillance in the US Department of Defense, 1996-2005. American Journal of Preventive Medicine. 38, 78-85 (2010).
- Linde, A. S., McGinnis, L. J., Thompson, D. M. Multi-Battle domain-perspective in military medical simulation trauma training. Journal of Trauma & Treatment. 06 (04), (2017).
- Riesberg, J., Powell, D., Loos, P. The loss of the golden hour. Special Warfare. , 49-51 (2017).
- Townsend, S., Lasher, W. . The US Army in Multi-Domain Operations 2028. (525-3-1), (2018).
- Blanch, R. J., Bishop, J., Javidi, H., Murray, P. I. Effect of time to primary repair on final visual outcome after open globe injury. The British Journal of Ophthalmology. 103 (10), 1491-1494 (2019).
- Lesniak, S. P., et al. Characteristics and outcomes of delayed open globe repair. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 53 (14), 4954 (2012).
- Loporchio, D., Mukkamala, L., Gorukanti, K., Zarbin, M., Langer, P., Bhagat, N. Intraocular foreign bodies: A review. Survey of Ophthalmology. 61 (5), 582-596 (2016).
- Jonas, J. B., Budde, W. M. Early versus late removal of retained intraocular foreign bodies. Retina. 19 (3), 193-197 (1999).
- Watson, P. G., Jovanovik-Pandova, L. Prolonged ocular hypotension: would ciliary tissue transplantation help. Eye. 23 (10), 1916-1925 (2009).
- Snider, E. J., et al. Development and characterization of a benchtop corneal puncture injury model. Scientific Reports. 10 (1), 4218 (2020).
- Snider, E. J., et al. An open-globe porcine injury platform for assessing therapeutics and characterizing biological effects. Current Protocols in Toxicology. 86 (1), 98 (2020).
- Snider, E. J., Cornell, L. E., Gross, B., Zamora, D. O., Boice, E. N. Assessment of commercial off-the-shelf tissue adhesives for sealing military relevant corneal perforation injuries. Military Medicine. , (2021).
- Snider, E. J., Boice, E. N., Butler, J. J., Gross, B., Zamora, D. O. Characterization of an anterior segment organ culture model for open globe injuries. Scientific Reports. 11 (1), 8546 (2021).
- Erickson-Lamy, K., Rohen, J. W., Grant, W. M. Outflow facility studies in the perfused human ocular anterior segment. Experimental Eye Research. 52 (6), 723-731 (1991).
- Johnson, D. H., Tschumper, R. C. The effect of organ culture on human trabecular meshwork. Experimental Eye Research. 49 (1), 113-127 (1989).
- Johnson, D. H., Tschumper, R. C. Human trabecular meshwork organ culture. A new method. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 28 (6), 945-953 (1987).
- Snider, E. J., et al. Improving stem cell delivery to the trabecular meshwork using magnetic nanoparticles. Scientific Reports. 8 (1), 12251 (2018).
- Llobet, A., Gasull, X., Gual, A. Understanding trabecular meshwork physiology: a key to the control of intraocular pressure. Physiology. 18 (5), 205-209 (2003).
- Goel, M., Picciani, R. G., Lee, R. K., Bhattacharya, S. K. Aqueous humor dynamics: A review. The Open Ophthalmology Journal. 4, 52-59 (2010).
- Snider, E. J., et al. Development of a porcine organ-culture glaucoma model mimicking trabecular meshwork damage. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 62 (3), 18 (2021).
- Ren, H., Wilson, G. Apoptosis in the corneal epithelium. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 37 (6), 1017-1025 (1996).
- Komuro, A., Hodge, D. O., Gores, G. J., Bourne, W. M. Cell death during corneal storage at 4°C. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 40 (12), 2827-2832 (1999).
- Crespo-Moral, M., García-Posadas, L., López-García, A., Diebold, Y. Histological and immunohistochemical characterization of the porcine ocular surface. PLOS One. 15 (1), e0227732 (2020).
- Wilson, S. E., Medeiros, C. S., Santhiago, M. R. Pathophysiology of corneal scarring in persistent epithelial defects after prk and other corneal injuries. Journal of Refractive Surgery. 34 (1), 59-64 (2018).
- Auw-Haedrich, C., et al. Immunohistochemical expression of epithelial cell markers in corneas with congenital aniridia and ocular cicatrizing pemphigoid. Acta Ophthalmologica. 89 (1), 47-53 (2011).
- Lyngholm, M., et al. Immunohistochemical markers for corneal stem cells in the early developing human eye. Experimental Eye Research. 87 (2), 115-121 (2008).
- Bandamwar, K. L., Papas, E. B., Garrett, Q. Fluorescein staining and physiological state of corneal epithelial cells. Contact Lens & Anterior Eye: The Journal of the British Contact Lens Association. 37 (3), 213-223 (2014).
- Bandamwar, K. L., Garrett, Q., Papas, E. B. Sodium fluorescein staining of the corneal epithelium: What does it mean at a cellular level. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 52 (14), 6496 (2011).
- Sherwood, J. M., Reina-Torres, E., Bertrand, J. A., Rowe, B., Overby, D. R. Measurement of outflow facility using iPerfusion. PLoS One. 11 (3), (2016).
- Weichel, E. D., Colyer, M. H., Ludlow, S. E., Bower, K. S., Eiseman, A. S. Combat ocular trauma visual outcomes during operations iraqi and enduring freedom. Ophthalmology. 115 (12), 2235-2245 (2008).
- Colyer, M. H., et al. Delayed intraocular foreign body removal without endophthalmitis during Operations Iraqi Freedom and Enduring Freedom. Ophthalmology. 114 (8), 1439-1447 (2007).
- Geggel, H. S., Maza, C. E. Anterior stromal puncture with the Nd:YAG laser. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 31 (8), 1555-1559 (1990).
- Matthews, A., et al. Indentation and needle insertion properties of the human eye. Eye. 28 (7), 880-887 (2014).
- Rau, A., et al. The mechanics of corneal deformation and rupture for penetrating injury in the human eye. Injury. 49 (2), 230-235 (2018).
- Agrawal, R., Ho, S. W., Teoh, S. Pre-operative variables affecting final vision outcome with a critical review of ocular trauma classification for posterior open globe (zone III) injury. Indian Journal of Ophthalmology. 61 (10), 541 (2013).
- Knyazer, B., et al. Prognostic factors in posterior open globe injuries (zone-III injuries). Clinical & Experimental Ophthalmology. 36 (9), 836-841 (2008).
- Tan, J., et al. C3 Transferase-Expressing scAAV2 Transduces Ocular Anterior Segment Tissues and Lowers Intraocular Pressure in Mouse and Monkey. Molecular Therapy – Methods & Clinical Development. 17, 143-155 (2020).
- Bhattacharya, S. K., Gabelt, B. T., Ruiz, J., Picciani, R., Kaufman, P. L. Cochlin Expression in Anterior Segment Organ Culture Models after TGFβ2 Treatment. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 50 (2), 551-559 (2009).
- Zhu, W., Godwin, C. R., Cheng, L., Scheetz, T. E., Kuehn, M. H. Transplantation of iPSC-TM stimulates division of trabecular meshwork cells in human eyes. Scientific Reports. 10 (1), 2905 (2020).
