Zuurstofgeïnduceerde retinopathiemodel voor ischemische netvliesziekten bij knaagdieren
Summary
Zuurstofgeïnduceerde retinopathie (OIR) kan worden gebruikt om ischemische netvliesaandoeningen zoals retinopathie van prematuriteit en proliferatieve diabetische retinopathie te modelleren en om te dienen als model voor proof-of-concept studies bij het evalueren van antiangiogene geneesmiddelen voor neovasculaire ziekten. OIR induceert robuuste en reproduceerbare neovascularisatie in het netvlies die kan worden gekwantificeerd.
Abstract
Een van de meest gebruikte modellen voor ischemische retinopathieën is het zuurstofgeïnduceerde retinopathie (OIR) model. Hier beschrijven we gedetailleerde protocollen voor de OIR-modelinductie en de uitlezingen ervan bij zowel muizen als ratten. Retinale neovascularisatie wordt geïnduceerd in OIR door knaagdierjongen bloot te stellen aan hyperoxia (muizen) of afwisselende niveaus van hyperoxia en hypoxie (ratten). De primaire uitlezingen van deze modellen zijn de grootte van neovasculaire (NV) en avasculaire (AVA) gebieden in het netvlies. Dit preklinische in vivo model kan worden gebruikt om de werkzaamheid van potentiële anti-angiogene geneesmiddelen te evalueren of om de rol van specifieke genen in de retinale angiogenese aan te pakken met behulp van genetisch gemanipuleerde dieren. Het model heeft enige spannings- en leveranciersspecifieke variatie in de OIR-inductie waarmee rekening moet worden gehouden bij het ontwerpen van de experimenten.
Introduction
Betrouwbare en reproduceerbare experimentele modellen zijn nodig om de pathologie achter angiogene oogziekten te bestuderen en nieuwe therapieën voor deze verwoestende ziekten te ontwikkelen. Pathologische angiogenese is het kenmerk voor natte leeftijdsgebonden maculadegeneratie (AMD) en voor veel ischemische netvliesaandoeningen waaronder retinopathie van prematuriteit (ROP), proliferatieve diabetische retinopathie (PDR) en retinale ader occlusie (RVO)1,2,3,4. Menselijke en knaagdier retina’s volgen een vergelijkbaar patroon van ontwikkeling, omdat zowel menselijk als knaagdier netvlies behoren tot de laatste weefsels die vasculair zijn. Voordat het netvlies vasculatuur zich volledig heeft ontwikkeld, ontvangt het netvlies zijn nutriëntentoevoer uit hyaloïde vasculatuur, dat op zijn beurt regresseert wanneer het netvlies vasculatuur begint te ontwikkelen1,2. Bij menselijke, retinale vasculaire ontwikkeling wordt voltooid vóór de geboorte, terwijl bij knaagdieren de groei van retinale vasculatuur optreedt na de geboorte. Aangezien de vasculaire ontwikkeling van het netvlies postnataal plaatsvindt bij knaagdieren, biedt het een ideaal modelsysteem om de angiogenese2,3 tebestuderen. De pasgeboren knaagdieren hebben een avasculaire retina die zich geleidelijk ontwikkelt totdat volledige vasculaire netvliesontwikkeling wordt bereikt tegen het einde van derde postnatale week4. De groeiende bloedvaten van neonatale muis zijn plastic en ondergaan regressie tijdens hyperoxia stimulus5.
ROP is de belangrijkste oorzaak voor kinderblindheid in westerse landen, omdat het bijna 70% van de premature zuigelingen met geboortegewicht onder 1.250 g6,7treft. ROP komt voor bij premature zuigelingen die worden geboren voordat netvliesvaten hun normale groei voltooien. ROP vordert in twee fasen: in fase I vertraagt vroeggeboorte de vasculaire groei van het netvlies, waarbij na fase II de onvoltooide vascularisatie van het zich ontwikkelende netvlies hypoxie veroorzaakt, wat de expressie van angiogene groeifactoren induceert die nieuwe en abnormale bloedvatgroei stimuleren8. Het OIR-model is een veelgebruikt model geweest om de pathofysiologie van ROP en andere ischemische retinopathieën te bestuderen en om nieuwe medicijnkandidaten te testen2,3,9. Het wordt algemeen beschouwd als een reproduceerbaar model voor het uitvoeren van proof-of-concept studies voor potentiële antiangiogene geneesmiddelen voor oog- en niet-oculaire ziekten. De twee knaagdiermodellen, d.w.z. muis en rat OIR verschillen in hun modelinductie en ziektefenotype. Het rattenmodel bootst het ROP-fenotype nauwkeuriger na, maar het muismodel biedt een robuuster, sneller en reproduceerbaarder model voor retinale neovascularisatie (NV). In het muismodel ontwikkelt NV zich tot het centrale netvlies. Deze pathologische uitlezing is belangrijk in farmacologische werkzaamheidsstudies voor veel ischemische retinopathieën, zoals PDR, RV en exsudatieve AMD, evenals voor niet-oculaire, angiogene ziekten zoals kanker. Bovendien maakt de beschikbaarheid van genetisch gemanipuleerde (transgene en knock-out) muizen het muis OIR-model een populairdere optie. Noch muis noch rat OIR model creëert echter retinale fibrose, wat typisch is bij menselijke ziekten.
Het inzicht dat hoge zuurstofniveaus bijdragen aan de ontwikkeling van ROP in de jaren 195010,11 leidde tot de ontwikkeling van diermodellen. De eerste studies over het effect van zuurstof op retinale vasculatuur werden gedaan in 195012,13,14 en tot de jaren 1990 waren er veel verfijningen aan het OIR-model. Het onderzoek van Smith et al. in 1994 zette een standaard voor het huidige muis OIR-model dat hyaloidopathie scheidt van retinopathie15. Een brede goedkeuring van de methode om vaso-vernietiging en pathologische NV door Connor et al. (2009) te kwantificeren verhoogde zijn populariteit verder16. In dit model worden muizen gedurende 5 dagen op 75% zuurstof (O2)geplaatst op P7, gevolgd door 5 dagen in normoxische omstandigheden. Hyperoxia van P7 tot P12 zorgt ervoor dat retinale vasculatuur teruggaat in het centrale netvlies. Bij terugkeer naar normoxische aandoeningen wordt het avasculaire netvlies hypoxisch (figuur 1A). Als gevolg van de hypoxische stimuli van het avasculaire centrale netvlies, ontspruiten sommige van de retinale bloedvaten naar het glasvocht en vormen preretinale NV, preretinale plukjes2,3genoemd . Deze plukjes zijn onvolwassen en hyperpermeabel. De hoeveelheid NV piekt op P17, waarna deze achteruitgaat. Het netvlies is volledig gerevasculariseerd en NV wordt volledig geregresseerd door P23 – P25 (figuur 2A)2,3.
Het rat OIR-model (met verschillende niveaus van O2) werd voor het eerst beschreven in de jaren 1990 waaruit bleek dat verschillende O2-niveaus bij 80% en 40% meer uitgesproken NV veroorzaken dan onder 80% O2 constante blootstelling17. Later werd ontdekt dat het intermitterende hypoxiemodel, waarbij O2 wordt gefietst uit hyperoxia (50%) hypoxie (10-12 %), veroorzaakt nog meer NV dan de 80/40% O2 model18. In het 50/10% model worden rattenjongen gedurende 24 uur blootgesteld aan 50%, gevolgd door 24 uur in 10% O2. Deze cycli worden voortgezet tot P14, wanneer de ratjongen worden teruggebracht naar normoxische omstandigheden (figuur 1B). Net als bij menselijke ROP-patiënten ontwikkelen zich in het rattenmodel de avasculaire gebieden tot aan de periferie van het netvlies als gevolg van onrijpe retinale vasculaire plexus (figuur 3).
In beide modellen zijn de belangrijkste parameters die meestal worden gekwantificeerd de grootte van AVA en NV. Deze parameters worden meestal geanalyseerd vanaf retinale platte mounts waarbij de endotheelcellen het label4,16 krijgen. Voorheen werd de hoeveelheid preretinale NV geëvalueerd aan de hand van retinale dwarsdoorsneden door het tellen van bloedvaten of vasculaire celkernen die zich uitstrekken tot glasvocht boven het binnenste beperkende membraan. De belangrijkste beperking van deze aanpak is dat het niet mogelijk is om de APA’s te kwantificeren.
Protocol
Representative Results
Discussion
De ernst van het fenotype van de ziekte is afhankelijk van zowel de stam als zelfs de leverancier in zowel muis- als rat OIR-modellen23. Dit suggereert dat er een brede genotypische variabiliteit is in de pathologieontwikkeling. Over het algemeen ontwikkelen gepigmenteerde knaagdieren een ernstiger fenotype dan de albino knaagdieren. Bijvoorbeeld, de retinale vasculatuur van albino BALB/c revasculariseert snel na hyperoxia en ontwikkelt NV helemaal niet24. Evenzo vertonen g…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Wij danken Marianne Karlsberg, Anne Mari Haapaniemi, Päivi Partanen en Anne Kankkunen voor de uitstekende technische ondersteuning. Dit werk werd gefinancierd door de Academy of Finland, Päivikki en Sakari Sohlberg Foundation, Tampere Tuberculosis Foundation, Finnish Medical Foundation, Pirkanmaa Hospital District Research Foundation en het Tampere University Hospital Research Fund.
Materials
| 33 gauge, Small Hub RN Needle | Hamilton Company | 7803-05, 10mm, 25°, PS4 | For intravitreal injection |
| Adobe Photoshop | Adobe Inc. | For image analysis | |
| Air pump air100 | Eheim GmbH & Co. KG. | 143207 | For inhalation anaesthesia |
| Anaesthesia unit 410 AP | Univentor Ltd. | 2360309 | For inhalation anaesthesia |
| AnalaR NORMAPUR Soda lime | VWR International Ltd | 22666.362 | For CO2 control during model induction |
| Attane Vet 1000 mg/g | VET MEDIC ANIMAL HEALTH OY | vnr 17 05 79 | For inhalation anaesthesia |
| Brush | For preparation of flat mounts | ||
| Carbon dioxide gas | For sacrifice | ||
| Celeris D430 ERG system | Diagnosys LLC | 121 | For in vivo ERG |
| Cell culture dishes | Greiner Bio-One International GmbH | 664 160 | For preparation of flat mounts |
| Cepetor Vet 1 mg/mL | VET MEDIC ANIMAL HEALTH OY | vnr 08 78 96 | For anaesthesia |
| Cover slips | Thermo Fisher Scientific | 15165452 | For preparation of flat mounts |
| O2 Controlled InVivo Cabinet, Aninal Filtrarion System and Dehumidifier | Coy Laboratory Products | Closed system for disease model induction, optional for semi-closed system | |
| E702 O2 sensor | BioSphenix, Ltd. | E207, 1801901 | For oxygen level measurement |
| Envisu R2200 Spectral Domain Optical Coherence Tomograph (SD-OCT) | Bioptigen, Inc. | BPN000668 | For in vivo imaging |
| Eye spears | Beaver-Visitec International, Inc. | 0008685 | For intravitreal injection and in vivo imaging |
| Flexilux 600LL Cold light source | Mikron | 11140 | For intravitreal injection or tissue collection |
| Fluorescein sodium salt | Merck KGaA | F6377-100G | For in vivo imaging |
| Gas Exhaust unit (+Double 3-way valve, mouse and rat face masks, UNOsorb filter) | UNO Roestvaststaal BV | GEX 17015249 | For inhalation anaesthesia |
| Glass syringe, Model 65 RN | Hamilton Company | 7633-01 | For intravitreal injection |
| HRA2 Retina angiograph (FA) | Heidelberg Engineering GmbH | Spec-KT-05488 | For in vivo imaging |
| Isolectin GS-IB4, Alexa Fluor 488 Conjugate | Thermo Fisher Scientific | I21411 | For labeling retinal vasculature on flat mounts |
| Ketaminol Vet 50 mg/mL | Intervet International B.V. | vnr 51 14 85 | For anaesthesia |
| Medicinal Oxygen gas | For disease model induction | ||
| Mice C57BL/6JRj | Janvier Labs | Also other strains possible | |
| Microscope slides | Thermo Fisher Scientific | J1800AMNZ | For preparation of flat mounts |
| Minims Povidone Iodine 5% (unit) | Bausch & Lomb U.K Limited | vnr 24 11 304 | For intravitreal injection |
| Nitrogen gas | For disease model induction (rat) | ||
| Oftan Chlora 10 mg/g | Santen Pharmaceutical Co., Ltd. | vnr 55 01 11 | For intravitreal injection |
| Oftan Metaoksedrin 100 mg/ml | Santen Pharmaceutical Co., Ltd. | vnr 55 03 43 | For in vivo ERG |
| Oftan Obucain 4 mg/ml | Santen Pharmaceutical Co., Ltd. | vnr 55 03 50 | For intravitreal injection |
| Oftan Tropicamid 5 mg/ml | Santen Pharmaceutical Co., Ltd. | vnr 04 12 36 | For in vivo imaging |
| ProOx Model 110 O2 controller and animal chamber | BioSphenix, Ltd. | 803 | For disease model induction, semi-closed system, optional for closed system |
| ProOx Model P360 O2 controller and animal chamber | BioSphenix, Ltd. | 538 | For disease model induction, semi-closed system, optional for closed system |
| Rats CD(SD) | Charles River Laboratories | Also other strains possible | |
| Revertor 5 mg/mL | VET MEDIC ANIMAL HEALTH OY | vnr 13 04 97 | For anaesthesia reversal |
| Silica gel | For humidity control during model induction | ||
| Systane Ultra 10ml | Alcon | Tamro 2050250 | For hydration of the eye |
| Systane Ultra unit 0.7ml | Alcon | Tamro 2064871 | For hydration of the eye |
| Transfer pipette | Thermo Fisher Scientific | 1343-9108 | For preparation of flat mounts |
| VENTI-Line VL 180 PRIME Drying oven | VWR | VL180S 170301 | For drying silica gel |
| VisiScope SZT350 Stereomicroscope | VWR | 481067 | For intravitreal injection or tissue collection |
Riferimenti
- Chase, J. The evolution of retinal vascularization in mammals. A comparison of vascular and avascular retinae. Ophthalmology. 89 (12), 1518-1525 (1982).
- Sun, Y., Smith, L. E. H. Retinal vasculature in development and diseases. Annual Review of Vision Science. 4, 101-122 (2018).
- Vähätupa, M., Järvinen, T. A. H., Uusitalo-Järvinen, H. Exploration of oxygen-induced retinopathy model to discover new therapeutic drug targets in retinopathies. Frontiers in Pharmacology. 11, 873 (2020).
- Stahl, A., et al. The mouse retina as an angiogenesis model. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 51 (6), 2813-2826 (2010).
- Benjamin, L. E., Hemo, I., Keshet, E. A plasticity window for blood vessel remodelling is defined by pericyte coverage of the preformed endothelial network and is regulated by PDGF-B and VEGF. Development. 125 (9), 1591-1598 (1998).
- Bashinsky, A. L. Retinopathy of prematurity. North Carolina Medical Journal. 78 (2), 124-128 (2017).
- Ludwig, C. A., Chen, T. A., Hernandez-Boussard, T., Moshfeghi, A. A., Moshfeghi, D. M. The epidemiology of retinopathy of prematurity in the united states. Ophthalmic Surgery, Lasers and Imaging Retina. 48 (7), 553-562 (2017).
- Hartnett, M. E. Pathophysiology and mechanisms of severe retinopathy of prematurity. Ophthalmology. 122 (1), 200-210 (2015).
- Liu, C. H., Wang, Z., Sun, Y., Chen, J. Animal models of ocular angiogenesis: From development to pathologies. FASEB Journal. 31 (11), 4665-4681 (2017).
- Szewczyk, T. S. Retrolental fibroplasia; etiology and prophylaxis. American Journal of Ophthalmology. 35 (3), 301-311 (1952).
- Szewczyk, T. S. Retrolental fibroplasia and related ocular diseases; classification, etiology, and prophylaxis. American Journal of Ophthalmology. 36 (10), 1336-1361 (1953).
- Gerschman, R., Nadig, P. W., Snell, A. C., Nye, S. W. Effect of high oxygen concentrations on eyes of newborn mice. American Journal of Physiology. 179 (1), 115-118 (1954).
- Gyllnesten, L. J., Hellström, B. E. Experimental approach to the pathogenesis of retrolental fibroplasia. III. changes in the eye induced by exposure of newborn mice to general hypoxia. British Journal of Ophthalmology. 39 (7), 409-415 (1955).
- Curley, F. J., Habegger, H., Ingalls, T. H., Philbrook, F. R. Retinopathy of immaturity in the newborn mouse after exposure to oxygen imbalances. American Journal of Ophthalmology. 42 (3), 377-392 (1956).
- Smith, L. E., et al. Oxygen-induced retinopathy in the mouse. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 35 (1), 101-111 (1994).
- Connor, K. M., et al. Quantification of oxygen-induced retinopathy in the mouse: A model of vessel loss, vessel regrowth and pathological angiogenesis. Nature Protocols. 4 (11), 1565-1573 (2009).
- Penn, J. S., Tolman, B. L., Lowery, L. A. Variable oxygen exposure causes preretinal neovascularization in the newborn rat. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 34 (3), 576-585 (1993).
- Penn, J. S., Henry, M. M., Tolman, B. L. Exposure to alternating hypoxia and hyperoxia causes severe proliferative retinopathy in the newborn rat. Pediatric Research. 36 (6), 724-731 (1994).
- Ritter, M. R., et al. Three-dimensional in vivo imaging of the mouse intraocular vasculature during development and disease. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 46 (9), 3021-3026 (2005).
- Xiao, S., et al. Fully automated, deep learning segmentation of oxygen-induced retinopathy images. Journal of Clinical Investigation Insight. 2 (24), 97585 (2017).
- Mazzaferri, J., Larrivee, B., Cakir, B., Sapieha, P., Costantino, S. A machine learning approach for automated assessment of retinal vasculature in the oxygen induced retinopathy model. Scientific Reports. 8 (1), 22251-22257 (2018).
- Kim, C. B., D’Amore, P. A., Connor, K. M. Revisiting the mouse model of oxygen-induced retinopathy. Eye and Brain. 8, 67-79 (2016).
- Barnett, J. M., Yanni, S. E., Penn, J. S. The development of the rat model of retinopathy of prematurity. Documenta Ophthalmologica. 120 (1), 3-12 (2010).
- Ritter, M. R., et al. Myeloid progenitors differentiate into microglia and promote vascular repair in a model of ischemic retinopathy. Journal of Clinical Investigation. 116 (12), 3266-3276 (2006).
- Floyd, B. N., et al. Differences between rat strains in models of retinopathy of prematurity. Molecular Vision. 11, 524-530 (2005).
- Scott, A., Powner, M. B., Fruttiger, M. Quantification of vascular tortuosity as an early outcome measure in oxygen induced retinopathy (OIR). Experimental Eye Research. 120, 55-60 (2014).
- Walsh, N., Bravo-Nuevo, A., Geller, S., Stone, J. Resistance of photoreceptors in the C57BL/6-c2J, C57BL/6J, and BALB/cJ mouse strains to oxygen stress: Evidence of an oxygen phenotype. Current Eye Research. 29 (6), 441-447 (2004).
- Chan, C. K., et al. Differential expression of pro- and antiangiogenic factors in mouse strain-dependent hypoxia-induced retinal neovascularization. Laboratory Investigation. 85 (6), 721-733 (2005).
- Stahl, A., et al. Postnatal weight gain modifies severity and functional outcome of oxygen-induced proliferative retinopathy. American Journal of Pathology. 177 (6), 2715-2723 (2010).
- Liegl, R., Priglinger, C., Ohlmann, A. Induction and readout of oxygen-induced retinopathy. Methods in Molecular Biology. 1834, 179-191 (2019).
- Holmes, J. M., Duffner, L. A. The effect of postnatal growth retardation on abnormal neovascularization in the oxygen exposed neonatal rat. Current Eye Research. 15 (4), 403-409 (1996).
- Holmes, J. M., Zhang, S., Leske, D. A., Lanier, W. L. The effect of carbon dioxide on oxygen-induced retinopathy in the neonatal rat. Current Eye Research. 16 (7), 725-732 (1997).
- Heiduschka, P., Plagemann, T., Li, L., Alex, A. F., Eter, N. Different effects of various anti-angiogenic treatments in an experimental mouse model of retinopathy of prematurity. Journal of Clinical and Experimental Ophthalmology. 47 (1), 79-87 (2019).
- Tokunaga, C. C., et al. Effects of anti-VEGF treatment on the recovery of the developing retina following oxygen-induced retinopathy. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 55 (3), 1884-1892 (2014).
- Tokunaga, C. C., Chen, Y. H., Dailey, W., Cheng, M., Drenser, K. A. Retinal vascular rescue of oxygen-induced retinopathy in mice by norrin. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 54 (1), 222-229 (2013).
- Vähätupa, M., Uusitalo-Järvinen, H., Järvinen, T. A. H., Uusitalo, H., Kalesnykas, G. Intravitreal injection of PBS reduces retinal neovascularization in the mouse oxygen-induced retinopathy model. Investigative Ophthalmology & Visual Science. Abstract Issue. 57 (12), 3649 (2016).
- Penn, J. S., et al. Angiostatic effect of penetrating ocular injury: Role of pigment epithelium-derived factor. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 47 (1), 405-414 (2006).
- Becker, S., Wang, H., Stoddard, G. J., Hartnett, M. E. Effect of subretinal injection on retinal structure and function in a rat oxygen-induced retinopathy model. Molecular Vision. 23, 832-843 (2017).
- Sophie, R., et al. Aflibercept: A potent vascular endothelial growth factor antagonist for neovascular age-related macular degeneration and other retinal vascular diseases. Biological Therapy. 2, (2012).
- Mezu-Ndubuisi, O. J. In vivo angiography quantifies oxygen-induced retinopathy vascular recovery. Optometry and Vision Science. 93 (10), 1268-1279 (2016).
- Mezu-Ndubuisi, O. J., et al. In vivo retinal vascular oxygen tension imaging and fluorescein angiography in the mouse model of oxygen-induced retinopathy. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 54 (10), 6968-6972 (2013).
- Dailey, W. A., et al. Ocular coherence tomography image data of the retinal laminar structure in a mouse model of oxygen-induced retinopathy. Data in Brief. 15, 491-495 (2017).
- Mezu-Ndubuisi, O. J., Taylor, L. K., Schoephoerster, J. A. Simultaneous fluorescein angiography and spectral domain optical coherence tomography correlate retinal thickness changes to vascular abnormalities in an in vivo mouse model of retinopathy of prematurity. Journal of Ophthalmology. 2017, 9620876 (2017).
- Pinto, L. H., Invergo, B., Shimomura, K., Takahashi, J. S., Troy, J. B. Interpretation of the mouse electroretinogram. Documenta Ophthalmologica. 115 (3), 127-136 (2007).
- Nakamura, S., et al. Morphological and functional changes in the retina after chronic oxygen-induced retinopathy. PLoS One. 7 (2), 32167 (2012).
- Dorfman, A. L., Polosa, A., Joly, S., Chemtob, S., Lachapelle, P. Functional and structural changes resulting from strain differences in the rat model of oxygen-induced retinopathy. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 50 (5), 2436-2450 (2009).
- Vähätupa, M., et al. SWATH-MS proteomic analysis of oxygen-induced retinopathy reveals novel potential therapeutic targets. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 59 (8), 3294-3306 (2018).
- Campos, M., Amaral, J., Becerra, S. P., Fariss, R. N. A novel imaging technique for experimental choroidal neovascularization. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 47 (12), 5163-5170 (2006).
- Yanez, C. O., et al. Deep Vascular Imaging in Wounds by Two-Photon Fluorescence Microscopy. PLos One. 8 (7), 67559 (2013).
- Wickramasinghe, L. C., et al. Lung and eye disease develop concurrently in supplemental oxygen-exposed neonatal mice. American Journal of Pathology. , 30287 (2020).
