En akutt retinal modell for evaluering Blood Netthinne Barrier på brudd og mulige narkotika for behandling
Summary
En lav-kost, lett-å-bruke og kraftig system etablert for å vurdere potensielle behandlinger som kan bli forbedret blod retinal barriere brutt indusert av histamin. Blodkar lekkasje Muller celleaktivering og kontinuiteten av neuronale prosesser blir benyttet for å vurdere skaden respons og dens reversering med en potensiell medikament, lipoxin A4.
Abstract
A low-cost, easy-to-use and powerful model system is established to evaluate potential treatments that could ameliorate blood retinal barrier breach. An inflammatory factor, histamine, is demonstrated to compromise vessel integrity in the cultured retina through positive staining of IgG outside of the blood vessels. The effects of histamine itself and those of candidate drugs for potential treatments, such as lipoxin A4, are assessed using three parameters: blood vessel leakage via IgG immunostaining, activation of Müller cells via GFAP staining and change in neuronal dendrites through staining for MAP2. Furthermore, the layered organization of the retina allows a detailed analysis of the processes of Müller and ganglion cells, such as changes in width and continuity. While the data presented is with swine retinal culture, the system is applicable to multiple species. Thus, the model provides a reliable tool to investigate the early effects of compromised retinal vessel integrity on different cell types and also to evaluate potential drug candidates for treatment.
Introduction
En voksende mengde bevis støtter eksistensen av blod retinal barriere (BRB) 1-5 og sin likhet til blod-hjerne barrieren (BBB) 6,7. Kompromiss av BBB er tett knyttet kausalt eller som en diagnostisk markør for å kroniske neurodegenerative sykdommer slik som Alzheimers sykdom (AD) 8,9 og akutte lidelser så som delirium 10. Mekanistiske innsikt i disse patologi og funn for potensielle narkotika mål er generelt hemmet av begrenset tilgjengelighet og nettverk intricacy av hjernen. Alternativer som in vivo avbildning 11, hjerne organotypiske kultur 12, primære cellekulturer 13,14 og co-kultur systemer 15 har blitt generert. Men de fleste av disse modellene krever spesielle instrumenter, lange eksperimentelle perioder eller flere markører for å identifisere celler. Funksjonelle og strukturelle likheter mellom BBB og BRB, samt en korrelasjon mellom dysfunctions av de to har blitt hevdet 16-19. I tillegg er det lettere tilgang, vel-definerte celletyper og en lagdelt struktur tillot godt karakterisert netthinnen som et vindu til hjernen. De strukturelle og funksjonelle identiteter BBB og BRB gjenstår å bli sammenlignet i detalj. Imidlertid, retinale sykdommer, spesielt BRB brudd, har også vært tett assosiert med progresjonen av forskjellige sykdommer, inklusive diabetes, 18-19 og 21,22 AD. Det er således av interesse å etablere et BRB dysfunksjon system ikke bare for å avgrense den mekanisme, men også for å screene potensielle medikamenter. I denne rapporten er en protokoll som har BRB dysfunksjon ved hjelp av en enkel akutt retinal kultur utvikles og presenteres.
Økt BBB permeabilitet og AD-lignende patologiske endringer har blitt etablert i en hjerne organotypiske kultur inkuberes med histamin, en pro-inflammatorisk megler 12. Derfor, i presenterte system, histamin var ApplIED til ex vivo retinal kultur å indusere BRB dysfunksjon. Netthinne fra flere arter, for eksempel Mus musculus og Bos Taurus, har blitt testet. På grunn av sin kommersielle tilgjengelighet og likhet til menneskelig vev, ble friske svin øyeepler utnyttes til å tilby de dataene som presenteres her. Etter inkubering med histamin og / eller andre stoffer, ble netthinne bearbeidet for bedømmelse ved farging av flere proteiner 12, slik som immunoglobulin G (IgG), en av hovedkomponentene i blodet; glial fibrillary surt protein (GFAP), en kjent markør for glial aktivisering; og microtubule-assosiert protein 2 (MAP2), et nevron-spesifikk cytoskeletal protein viktig for microtubule montering. Videre er den lagdelte strukturen av netthinnen tillater en detaljert analyse av prosesser av Muller celler og ganglion-celler, slik som endringer i deres bredde og kontinuitet. Dermed flere andre parametre er tilgjengelige for å vurdere konsekvensene avBRB brudd på et tidlig stadium, og å evaluere reversering effekten av potensielle behandlinger også.
I denne protokollen, er potensielle reverseringseffekter av medikamenter vist evaluert fra tre perspektiver: lekkasje av blodårer (BVS), aktivering av gliaceller og skaden-responsen av neuronale celler. Flere kvantifisering fremgangsmåter blir benyttet, for eksempel, ekspresjonsnivået er vist ved intensiteten av immunofarging, bredde måling av en prosess og kontinuitet av neuronale prosesser som vises ved en forsterkning filter. For bedre å illustrere metoden og å bidra til å tolke resultatene, lipoxin A4 (LXA4), en forbindelse endogent syntetisert i respons til inflammatoriske skader og dempe endotelial dysfunksjon 23, har blitt valgt for demonstrasjonsformål.
Protocol
Representative Results
Discussion
In this report, we present a powerful ex vivo acute retinal model of BRB dysfunction using the swine retina. This model system does not require special instruments and can be easily adapted under most laboratory settings. However, to obtain a successful result, several steps require close attention. After obtaining the eyeballs from the source, they must be kept at 4 °C or on ice and processed as soon as possible. When the effect of a treatment is being analyzed, two halves of the same retina must be used -…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bringhurst Meats (Berlin, NJ) is acknowledged for their genuine help in providing the swine eyeballs.
Materials
| DMEM | Life Technologies | 11965-092 | |
| HBSS | Life Technologies | 14170-112 | |
| Sucrose | J.T.Baker | 4072-05 | |
| Histamine | Sigma | H7125-1G | |
| Penicillin-Streptomycin | Invitrogen | ||
| PFA | Electron Microscopy Sciences | 15710 | |
| Freezing Media | Triangle Biomedical Sciences | TFM-5 | |
| Normal Goat Serum | Rockland | D104-00-0050 | |
| Triton X-100 | Sigma | T8787 | |
| GFAP Antibody | Millipore | AB5804 | |
| MAP2 Antibody | EMD Millipore | MAB3418 | |
| FITC conjugated Donkey anti-rabbit IgG | Jackson ImmunoResearch Laboratories, Inc. | 711-095-152 | |
| Cy3 conjugated Donkey anti-mouse IgG | Jackson ImmunoResearch Laboratories, Inc. | 715-165-150 | |
| mounting medium containing DAPI | Vector Laboratories, Inc. | H-1200 | |
| Laser Confocal Microscope | Nikon | Eclipse Ti microscope | |
| ImageJ | National Institutes of Health | 1.45s |
References
- Cunha-Vaz, J., Bernardes, R., Lobo, C. Blood-retinal barrier. J Ophthalmol. 21, 3 (2011).
- Kim, J. H., et al. Blood-neural barrier: intercellular communication at glio-vascular interface. J Biochem Molec Biol. 39, 339-345 (2006).
- Kumagai, A. K. Glucose transport in brain and retina: implications in the management and complications of diabetes. Diabetes Metab Res Rev. 15, 261-273 (1999).
- Runkle, E. A., Antonetti, D. A. The blood-retinal barrier: structure and functional significance. Methods Molec Biol. 686, 133-148 (2011).
- Takata, K., Hirano, H., Kasahara, M. Transport of glucose across the blood-tissue barriers. Int Rev Cytol. 172, 1-53 (1997).
- Goncalves, A., Ambrosio, A. F., Fernandes, R. Regulation of claudins in blood-tissue barriers under physiological and pathological states. Tissue Barriers. 1, 24782 (2013).
- Patton, N., et al. Retinal image analysis: concepts, applications and potential. Prog Ret Eye Res. 25, 99-127 (2006).
- Di Marco, L. Y., et al. Vascular dysfunction in the pathogenesis of Alzheimer’s disease–A review of endothelium-mediated mechanisms and ensuing vicious circles. Neurobiol Dis. 82, 593-606 (2015).
- Nagele, R. G., et al. Brain-reactive autoantibodies prevalent in human sera increase intraneuronal amyloid-beta(1-42) deposition. J Alzheimer’s Dis: JAD. 25, 605-622 (2011).
- Goldwaser, E., Acharya, N., Nagele, R. Cerebrovascular and blood-brain barrier compromise: A mechanistic link between vascular disease and Alzheimer’s disease subtypes of neurocognitive disorders. J Parkinsons Dis Alzheimer’s Dis. 2, 10 (2015).
- Horton, N. G., et al. In vivo three-photon microscopy of subcortical structures within an intact mouse brain. Nat Photonics. 7, (2013).
- Sedeyn, J. C., et al. Histamine Induces Alzheimer’s Disease-Like Blood Brain Barrier Breach and Local Cellular Responses in Mouse Brain Organotypic Cultures. Biomed Res Int. 2015, 937148 (2015).
- Avdeef, A., Deli, M. A., Neuhaus, W., Di, L., Kerns, E. H. . Blood-Brain Barrier in Drug Discovery: Optimizing Brain Exposure of CNS Drugs and Minimizing Brain Side Effects for Peripheral Drugs. , 188 (2014).
- Eigenmann, D. E., et al. Comparative study of four immortalized human brain capillary endothelial cell lines, hCMEC/D3, hBMEC, TY10, and BB19, and optimization of culture conditions, for an in vitro blood-brain barrier model for drug permeability studies. Fluids Barriers CNS. 10, 33 (2013).
- Takeshita, Y., et al. An in vitro blood-brain barrier model combining shear stress and endothelial cell/astrocyte co-culture. J Neurosci Methods. 232, 165-172 (2014).
- Alberghina, M., Lupo, G., Anfuso, C. D., Moro, F. Palmitate transport through the blood-retina and blood-brain barrier of rat visual system during aging. Neurosci Lett. 150, 17-20 (1993).
- Hosoya, K., Yamamoto, A., Akanuma, S., Tachikawa, M. Lipophilicity and transporter influence on blood-retinal barrier permeability: a comparison with blood-brain barrier permeability. Pharm Res. 27, 2715-2724 (2010).
- Minamizono, A., Tomi, M., Hosoya, K. Inhibition of dehydroascorbic acid transport across the rat blood-retinal and -brain barriers in experimental diabetes. Biol Pharm Bull. 29, 2148-2150 (2006).
- Serlin, Y., Levy, J., Shalev, H. Vascular pathology and blood-brain barrier disruption in cognitive and psychiatric complications of type 2 diabetes mellitus. Cardiovasc Psychiatry Neurol. 2011, 609202 (2011).
- Kolb, H. How the retina works – Much of the construction of an image takes place in the retina itself through the use of specialized neural circuits. Am Sci. 91, 28-35 (2003).
- Ikram, M. K., Cheung, C. Y., Wong, T. Y., Chen, C. P. Retinal pathology as biomarker for cognitive impairment and Alzheimer’s disease. J Neurol Neurosurgery Psychiatry. 83, 917-922 (2012).
- Tan, Z., Ge, J. Amyloid-beta, the retina, and mouse models of Alzheimer disease. Am J Pathol. 176, 2055 (2010).
- Serhan, C. N. Pro-resolving lipid mediators are leads for resolution physiology. Nature. 510, 92-101 (2014).
- Bucolo, C., et al. Effects of topical indomethacin, bromfenac and nepafenac on lipopolysaccharide-induced ocular inflammation. J Pharm Pharmacol. 66, 954-960 (2014).
- Edelman, J. L., Lutz, D., Castro, M. R. Corticosteroids inhibit VEGF-induced vascular leakage in a rabbit model of blood-retinal and blood-aqueous barrier breakdown. Exp Eye Res. 80, 249-258 (2005).
