Met resolutie muis optische coherentie tomografie steun intraoculaire injectie in het netvlies gentherapie onderzoek
Summary
Hier tonen we een nieuwe benadering voor het gebruik van hoge resolutie spectrale domein optische coherentie tomografie (HR-SD-OCT) helpen levering van gen-therapie-agenten in de subretinal ruimte, beoordelen van haar areal dekking en karakteriseren fotoreceptor vitaliteit.
Abstract
HR-SD-OCT wordt gebruikt om te controleren de progressie van fotoreceptor degeneratie in levende muismodellen, beoordelen van de levering van therapeutische agenten in de subretinal ruimte, en ter beoordeling van toxiciteit en werkzaamheid in vivo. HR-SD-OCT gebruikt in de buurt van infrarood licht (800-880 nm) en heeft optica specifiek ontworpen voor de unieke optiek van het oog van de muis met sub-2-micron axiale resolutie. Transgene muismodellen van buitenste retinal (fotoreceptor) degeneratie en controles werden beeld voor de beoordeling van de progressie van de ziekte. Getrokken glas microneedles werden gebruikt voor het leveren van sub retinale injecties van adeno-associated virus (AAV) of nanodeeltjes (NP) via een trans-scleral en trans-choroidal aanpak. Nauwkeurige positionering van de naald in de subretinal ruimte was nodig voorafgaand aan een gekalibreerde druk injectie, die vloeistof in de sub retinale ruimte levert. Real time subretinal chirurgie werd uitgevoerd op onze retinal imaging systeem (RIS). HR-SD-OCT aangetoond progressieve uniforme Retina degeneratie toe te schrijven aan de expressie van een giftige mutant menselijke mutant rhodopsine (P347S) (RHOP347S) transgenic muizen. HR-SD-OCT kunt strenge kwantificering van alle lagen van het netvlies. Nucleaire buitenlaag (ONL) dikte en fotoreceptor buitenste segment lengte (OSL) metingen correleren met fotoreceptor vitaliteit, degeneratie, of redding. Het uitvoeringssysteem RIS kunt visualisatie in real time van de subretinal injecties in neonatale (~ P10-14) of volwassen muizen, HR-SD-OCT onmiddellijk bepaalt succes van levering en kaarten areal mate. HR-SD-OCT is een krachtig hulpmiddel dat het succes van subretinal chirurgie bij muizen, daarnaast evalueren kan tot het meten van de vitaliteit van de researchdieren in vivo. HR-SD-OCT kan ook worden gebruikt ter identificatie van de uniforme dierlijke cohorten om te evalueren in welke mate van Retina degeneratie, toxiciteit en therapeutische redding in onderzoeken voor preklinische gen-therapie.
Introduction
Onderzoekers ontwikkelen gentherapieën voor een verscheidenheid van retinale en netvlies degeneratieve ziekten met hoop van het vertalen van nieuwe therapeutics in behandelingen voor ziekten bij de mens1,,2,,3,4 , 5 , 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11. tijdsdomein of spectrale domein optische coherentie tomografie (SD-OCT) is gebruikt om te onderzoeken van de aspecten van de buitenste Retina degeneratie in specifieke Muismodellen van de ziekte12,13,14 . HR-SD-OCT niet, echter, heeft uitgebreid gebruikt in het kader van de evaluatie van Muismodellen optimaliseren om te bepalen van het tarief en de ruimtelijke uniformiteit van Retina degeneratie, of in het kader van preklinische evaluatie van gen gebaseerde therapeutics, bijvoorbeeld, tot redding, toxiciteit of de ruimtelijke omvang van vector levering8,15,16te beoordelen. Zodra een muismodel volledig gekenmerkt wordt, kan de HR-SD-OCT-gegevens dienen als een informatieve en betrouwbare bron voor het meten van de impact van therapeutics uitoefenen toxiciteit in muismodellen van Retina degeneratie17of redding. Veel groepen zijn met behulp van subretinal injectie als een methode van vector levering als gevolg van het rendement bij transducing researchdieren en retinale pigment epitheel (RPE) cellen. Dit blijft echter een moeilijke methode te beheersen, gezien het feit dat het wordt meestal gedaan door gratis-Handchirurgie van het hoornvlies oppervlak, en vaak beladen met staar is, bloeden, en onbedoelde retinale detachementen gewoon door manipulatie van de posterior glasvocht. Veel groepen nog steeds proberen subretinal injecties blindelings en leveren het virus handmatige injecties met relatief grote diameter RVS naalden (34G)8,17,18,19 ,20,21,22, en een paar toepassingen optische coherentie tomografie (OCT)-imaging om te bevestigen correcte levering van vector aan het netvlies8,17, 20 , 22. enkele verbeteringen in de methode zijn onlangs beschreven met behulp van microscale naalden gedreven door een micromanipulator-22.
Presenteren we een geïntegreerde aanpak die helpt bij de positionering van de naald en de injecties worden gefaciliteerd door een aangepaste gestuurde stereo oftalmoscoop ontworpen in het lab specifiek voor het visualiseren van binnen het kleine oog van de muis17, 23. het gebruik van de micro naalden getrokken glas in combinatie met de stereotaxic micromanipulator bieden betere controle van de plaatsing van de naald met geen chirurgische cut down vereist (dat wil zeggen, door middel van de bindvliezen en bindweefsel) voorafgaand aan injectie. Het gebruik van de druk geregeld micro injector helpt leveren consistente injectie volumes en de injectie kan worden gedaan met veel grotere stabiliteit, precisie en veel trager dan handmatige injecties uitgevoerd door een hand-held spuit, daardoor verminderend de het voorkomen van bubble injectie in het oog. De kleinere naald voorkomt lekkage na naald terugtrekking omdat het pad zelfsluitende. Om te beoordelen in welke mate van injectie/levering, vertrouwen vele onderzoeksteams op het vinden en beoordelen van de areal omvang van verbeterde groene fluorescentie (EGFP) eiwituitdrukking in de retina (expressie construct geleverd door de vector) experimentele eind Wijs (euthanasie) om te bevestigen van succesvolle injecties11,19,20,24. Deze benadering (niet met behulp van OCT) om te controleren of chirurgische succes afval een enorme hoeveelheid middelen in chirurgische procedurele tijd en dieren, aangezien alle dieren met (onbekende) chirurgische mislukkingen worden gehandhaafd moeten, gevolgd met repetitieve maatregelen tot euthanasie en oog oogst (als EGFP wordt gemeten). Bevestiging van de locatie van injectie in het netvlies kan worden verbeterd met behulp van HR-SD-OCT om aan te tonen dat de injectie gelegen tussen de juiste lagen van het netvlies (dat wil zeggen de subretinal ruimte is). HR-SD-OCT kan ook worden gebruikt om af te bakenen onmiddellijk mislukte pogingen (chirurgische mislukkingen) om te identificeren van relevante variabelen in echte chirurgische tijd om op de aanpak te verbeteren. We vonden dat HR-SD-OCT talrijke voordelen in preklinische gen therapie studies biedt doordat snelle kwantitatieve evaluatie van de buitenste Retina degeneratie, waardoor identificatie/ruimen van studie dieren die niet voldoen aan de criteria van de experimentele ( bijvoorbeeld onjuiste subretinal injectie), en naar rechtstreekse follow-up imaging naar de regio van het oog waar de vector werd geleverd (indien preklinische effect is waarschijnlijk), alsmede het bepalen van de regio’s waar de vector werd niet geleverd. Sinds de ontwikkeling ervan, het gebruik van SD-OCT heeft voortgezet te worden aanvaard en gebruikt door onderzoekers van de oogheelkunde en wordt nu beschouwd als de standaard voor retinale imaging in netvlies wetenschappelijke studies in muis of knaagdier modellen13,25. HR-SD-OCT en de softwaremogelijkheden werden gebruikt in unieke geïntegreerde manieren om het doel van succesvolle kwantitatieve gentherapie in muismodellen bij elke stap in het proces, inclusief diermodel selectie, karakterisering van degeneratie in gekozen ziekte modellen, therapeutische levering, toewijzing van vector levering en evaluatie van de toxiciteit/werkzaamheid. Het gebruik van HR-SD-OCT zorgt voor efficiëntere drugontdekking op elk niveau van het proces. Hier beschrijven we deze benaderingen die zijn gebruikt in ons RNA drugontdekking-programma.
Protocol
Representative Results
Discussion
HR-SD-OCT biedt een eenvoudige methode voor karakterisering van mogelijke dierlijke modellen van ziekten bij de mens om te bepalen hun nut in het testen van potentiële therapeutics. De mogelijkheid om snel en betrouwbaar kenmerkend zijn voor een potentiële diermodel van ziekten bij de mens is essentieel voor het proces van therapeutische drugontdekking (bijvoorbeeldvervanging gentherapie, Ribozym of shRNA vechtpartij gentherapie, gecombineerde gentherapie). HR-SD-OCT biedt een eenvoudige, snelle en niet-invasi…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit materiaal is gebaseerd op het werk, gedeeltelijk ondersteund door het Department of Veterans Affairs (VA), Veterans Health Administration, Office of Research en ontwikkeling (biomedische laboratoriumonderzoek en ontwikkeling) (VA verdienste Grant 1I01BX000669). JMS werkzaam is, gedeeltelijk als personeel arts-wetenschapper, oogheelkunde, door VA WNY; MCB is gedeeltelijk in dienst van VA WNY. De studie werd uitgevoerd bij, en deels gesteund door de veteranen administratie Western New York gezondheidszorg systeem (Buffalo, NY). Inhoud geven niet de standpunten van het Department of Veterans Affairs of de regering van de Verenigde Staten. Ook ondersteund, in groot deel, door de NIH/NEI R01 verlenen EY013433 (PI: JMS), NIH/NEI R24 verlenen EY016662 (UB Vision infrastructuur Center, PI: M slachten, directeur – Biophotonics Module: JMS), een onbeperkte subsidie aan de afdeling oogheelkunde/Universiteit van Buffalo van onderzoek te voorkomen blindheid (New York, NY), en een subsidie van de Oishei Foundation (Buffalo, NY). Wij erkennen de gave van de hC1 transgene RHOP347S lijn en de exon 1 muis RHO knockout van Dr. Janis Lem (Tufts-New England Medical Center, Boston, MA), en de gave van de NHR-E transgenic model in de heterozygoot staat op de muis exon 2 RHO knock-out achtergrond uit Drs. G. Jane Farrar en Peter Humphries (Trinity College in Dublin, IRE).
Materials
| C57BL6 (J) | Jackson Laboratories | 664 | |
| N129R- | N/A | N/A | |
| 2HRho 1T/1T | N/A | N/A | |
| Envisu R-2200 Ocular Coherence Tomography Instrument (OCT) | Bioptigen | 90-R2200-U1-120. | |
| Retinal Imaging System (RIS) | In-house | N/A | |
| Stemi 2000C Microscope | Zeiss | 000000-1106-133 | |
| P-97 Flaming/Brown micropipette puller | Sutter Instrument Co | p-97 | |
| MMN-33 micro manipulator | Narishige USA | MMN-33 | |
| PLI-100 micro injector | Harvard Apparatus | 64-1736 | |
| Micropipette Holder (Rotating) | In-house | N/A | |
| Micropipette Storage Receptacle | World Precision Instruments Inc. | E210 | |
| Borosilicate glass capillary tubes 1.5-1.8 X 100mm, | Harvard Apparatus | 30-0053 | |
| 2,2,2-Tribromoethanol | SIGMA Aldrich | T48402-25G | |
| Tert-amyl Alcohol | SIGMA Aldrich | 240486-100ML | |
| Atropine Sulfate Ophthalmic Solution, USP 1% | Akorn Inc. | NDC 17478-215-05 | |
| Goniovisc | BioVision Limited | NDC 17238-610-15 | |
| Cyclopentolate Hydrochloride Ophthalmic Solution, USP 2% | Akorn Inc. | NDC 17478-097-10 | |
| Gentamicin Sulfate Ointment USP, 0.1% | Perigo | NDC 45802-046-35 | |
| Systane Ultra | Alcon Laboratories, Inc. | 9006619-1013 | |
| Tetracaine Hydrochloride | Bausch and Lomb | NDC 24208-920-64 | |
| Ophthalmic Solution, USP 0.5% | Bausch and Lomb | NDC 24208-920-64 | |
| DPBS | Gibco Life Technologies | 14190-136 | |
| Virus Preparations | ViGene /UNC | N/A | |
| Gold nanorods | NANOPARTz | D12M-850-1.75 | |
| Fluorescein Sulfate AK-FLUOR 25% | Akorn Inc. | NDC 17478-250-20 | |
| Coverslips | Fisher Scientific | 12-548-A | |
| Forceps | Milton | 18-825 | |
| Needles 30 guage | Beckton Dickenson | W11604 | |
| Syringes | Beckton Dickenson | 309659 | |
| Bioptigen software Package | Bioptigen | N/A | |
| Proparacaine Hydrochloride Ophthalmic Solution, USP 0.5% | Akorn Inc. | NDC 17478-263-12 | |
| Windows Excel | Microsoft | N/A | |
| Adobe Illustrator | Adobe | ||
| Scale | Mettler | ||
| Scissors | World Precision Instruments | ||
| Ear punch | Nat’l band | ||
| CL 100 Light source | Welch Allyn | CL100 | |
| Nitrogen Gas | Jackson Welding Supply | N/A | |
| Heated Water bath | Neslab | RTE-140 | |
| Heating plate | In House | N/A | |
| Heating mat | Cincinnatti Sub Zero | 273 | |
| Clay mouse holder | Plast.i.clay American Art Clay Co. | N/A | |
| Betadine | MedLine | NDC53329-938-06 | |
| Cotton Tip Applicators | American Health Service | Ctag | |
| EtOH 70% | Fisher Scientific | BP2818-100 | |
| Gloves Nitrile | VWR | 89038-272 | |
| Diagnosys ERG Color Dome instrument | Diagnosys Inc. | D125 | |
| Contact lenses | In-house | N/A | |
| Diagnosys Software | Diagnosys Inc. | N/A | |
| Origin 6.1 software | OriginLab Corp. | N/A | |
| Reference electrodes | Ocuscience | F-Thread Electrode (DTL) 24” |
Riferimenti
- Regus-Leidig, H., et al. In-vivo knockdown of Piccolino disrupts presynaptic ribbon morphology in mouse photoreceptor synapses. Front Cell Neurosci. 8 (259), 1-13 (2014).
- Jiang, L., Frederick, J. M., Baehr, W. RNA interference gene therapy in dominant retinitis pigmentosa and cone-rod dystrophy mouse models caused by GCAP1 mutations. Front Mol Neurosci. 7 (25), 1-8 (2014).
- Seo, S., et al. Subretinal gene therapy of mice with Bardet-Beidl Syndrome Type-1. Invest. Ophthalmol. Vis. Sci. 54 (9), 6118-6132 (2013).
- Molday, L. L., et al. RD3 gene delivery restores guanylate cyclase localization and rescues photoreceptors in the RD3 mouse model of Leber congenital amaurosis 12. Hum. Mol. Genet. 22 (19), 3894-3905 (2014).
- Pang, J. J., et al. AAV-mediated gene therapy in mouse models of recessive retinal degeneration. Curr. Mol. Med. (3), 316-330 (2012).
- Vandenberghe, L. H., Auricchio, A. Novel adeno-associated viral vectors for retinal gene therapies. Gene Ther. 19 (2), 162-168 (2012).
- Tenenbaum, L., Lehtonen, E., Monahan, P. E. Evaluation of risks related to the use of adeno-associated virus-based vectors. Curr. Gene Ther. 3 (6), 545-565 (2003).
- Parikh, S., Le, A., Davenport, J., Gorin, M. B., Nusinowitz, S., Matynia, A. An alternative and validated injection method for accessing the subretinal space via a transcleral posterior approach. J. Vis. Exp. (118), e54808 (2016).
- Bainbridge, J. W. B., Mistry, A. R., Thrasher, A. J., Ali, R. R. Gene therapy for ocular angiogenesis. Clinical Science. 104, 561-575 (2003).
- Igarashi, T., Miyake, K., Asakawa, N., Miyake, N., Shimada, T., Takahashi, H. Direct comparison of administration routes for AAV-8 mediated ocular gene therapy. Curr. Eye Res. 38 (5), 569-577 (2013).
- Bennett, J., Duan, D., Engelhardt, J. F., Maguire, A. M. Real-time noninvasive in vivo.assessment of adeno-associated virus-mediated retinal transduction. Invest. Ophthalmol. Vis. Sci. 38, 2857-2863 (1997).
- Ruggeri, M., et al. In vivo three-dimensional high-resolution imaging of the rodent retinal with spectral-domain optical coherence tomography. Invest. Ophthalmol. Vis. Sci. 48 (4), 1808-1814 (2007).
- Berger, A., et al. Spectral domain optical coherence tomography of the rodent eye: highlighting layers of the outer retina using signal averaging and comparison with histology. PLoS One. 9 (5), 96494 (2014).
- Dysli, C., Enzmann, V., Sznitman, R., Zinkernagel, M. S. Quantitative analysis of mouse retinal layers using automated segmentation of spectral domain optical coherence tomography images. TVST. 4 (4), 9 (2015).
- Bhootada, Y., Choudhury, S., Gully, C., Gorbatyuk, M. Targeting caspase-12 to preserve vision in mice with inherited retinal degeneration. Invest. Ophthalmol. Vis. Sci. 56, 4725-4733 (2015).
- Wert, K. J., Skeie, J. M., Davis, R. J., Tsang, S. H., Mahajan, V. B. Subretinal injection of gene therapy vectors and stem cells in the perinatal mouse eye. J. Vis. Exp. (69), e4286 (2012).
- Berger, A., al, , et al. Spectral-domain optical coherence tomography of the rodent eye: highlighting layers of the outer retina using signal averaging and comparison with histology. PLoSOne. 9 (5), 96494 (2014).
- Muhlfriedel, R., Michalakis, S., Garrido, M. G., Biel, M., Seeliger, M. W. Optimized technique for subretinal injections in mice. Methods in Molecular Biology. , (2013).
- Sarra, G. M., et al. Kinetics of transgene expression in mouse retina following subretinal injection of recombinant adeno-associated virus. Vision Res. 42, 541-549 (2002).
- Yan, Q. I., et al. Trans-corneal subretinal injection in mice and its effect on the function and morphology of the retina. PLoS One. 10 (8), 0136523 (2015).
- Park, S. W., Kim, J. H., Park, W. J., Kim, J. H. Limbal approach-subretinal injection of viral vectors for gene therapy in mice retinal pigment epithelium. J. Vis. Exp. (102), e53030 (2015).
- Westenskow, P. D., et al. Performing subretinal injections in rodents to deliver retinal pigment epithelium cells in suspension. J. Vis. Exp. (95), e52247 (2015).
- Butler, M. C., Sullivan, J. M. A novel, real-time, in vivo mouse retinal imaging system. Invest. Ophthalmol. Vis. Sci. 56 (12), 7159-7168 (2015).
- Rolling, F., et al. Evaluation of adeno-associated virus-mediated gene transfer into the rat retina by clinical fluorescence photography. Hum. Gene Ther. 10, 641-648 (1999).
- Ferguson, L. R., Grover, S., Dominguez, J. M., Balaiya, S., Chalam, K. V. Retinal thickness measurement obtained with spectral domain optical coherence tomography assisted optical biopsy accurately correlates with ex vivo histology. PLoS One. 9 (10), 111203 (2014).
- Li, T., Snyder, W. K., Olsson, J. E., Dryja, T. P. Transgenic mice carrying the dominant rhodopsin mutation P347S: evidence for defective vectorial transport of rhodopsin to the outer segments. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 93, 14176-14181 (1996).
- Brill, E., et al. A novel form of transducin-dependent retinal degeneration: accelerated retinal degeneration in the absence of rod transducing. Invest. Ophthalmol. Vis. Sci. 48, 5445-5453 (2007).
- Olsson, J. E., et al. Transgenic mice with a rhodopsin mutation (Pro23His): a mouse model of autosomal dominant retinitis pigmentosa. Neuron. 9, 815-830 (1992).
- Humphries, M. M., et al. Retinopathy induced in mice by targeted disruption of the rhodopsin gene. Nat. Genet. 15, 216-219 (1997).
- Hruby, K. Clinical examination of the vitreous body. Proc. Roy. Soc. Med. 47, 163-170 (1953).
- Kolniak, T. A., Sullivan, J. M. cell-based toxicity screen of potentially therapeutic post-transcriptional gene silencing agents. Experimental Eye Research. 92, 328-337 (2011).
- Qi, Y., et al. Trans-corneal subretinal injection in mice and its effect on the function and morphology of the retina. PLoS One. 10 (8), 0136523 (2015).
- Timmers, A. M., Zhang, H., Squitieri, A., Gonzalez-Pola, C. Subretinal injections in rodent eyes: effects on electrophysiology and histology of rat retina. Mol. Vis. 7, 131-137 (2000).
- Johnson, C. J., Berglin, L., Chrenek, M. A., Redmond, T. M., Boatright, J. H., Nickerson, J. M. Technical brief: subretinal injection and electroporation into adult mouse eyes. Mol. Vis. 14, 2211-2226 (2008).
- Sullivan, J. M., Yau, E. H., Taggart, R. T., Butler, M. C., Kolniak, T. A. Bottlenecks in development of therapeutic post-transcriptional gene silencing agents. Vision Res. 48, 453-469 (2008).
